[發明專利]一種三明治結構碳基復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201711276189.7
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN107994222B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 張治安;陳玉祥;尹盟;李劼;賴延清
• 申請（專利權）人: 中南大學深圳研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/054;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發明公開了一種三明治結構碳基復合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將殼聚糖與鋅鹽類造孔劑混合均勻，經碳化處理，得多孔碳納米片；(2)將步驟(1)所得多孔碳納米片浸泡在可溶性鎳鹽溶液中，取出干燥，經CVD氣相沉積，即得三明治結構碳基復合材料。該制備方法原料易得、重復性好、易于實現工業化生產。本發明公開了一種三明治結構碳基復合材料，該碳基復合材料導電性好。本發明還公開了上述三明治結構碳基復合材料作為負極材料在鈉離子電池中的應用，采用本法的碳基復合材料制作的鈉離子電池比容量高、倍率性能好、循環性能好。

技術領域

本發明涉及鈉離子電池技術領域，具體涉及一種三明治結構碳基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鈉離子電池憑借鈉儲量豐富，可借鑒現有電池成果等優勢，成為新一代二次電池體系的研究熱點。雖然鈉離子電池中的反應機制與鋰離子電池中相似，然而，鈉離子半徑比鋰離子要大55％左右，鈉離子在相同結構材料中的嵌入和擴散往往都相對困難，電極材料決定著電池的容量、工作電壓和循環壽命等重要的參數，因而電極材料的比容量、動力學性能和循環性能等都相應地變差。因此理想的鈉離子電池用嵌入型負極材料需要較大的層間距。

現有鈉離子電池負極材料中，碳材料是研究最早也是研究較多的負極材料。無定型碳材料憑借其比容量高，循環壽命長等優點，成為研究較多的碳材料種類。對于無定型碳儲鈉容量主要來源于活性位點、低石墨化微晶區和微孔區等，然而無定型碳材料作為鈉離子電池負極材料，普遍存在著導電性差和倍率性能差的問題，嚴重抑制了無定型碳作為鈉離子電池負極的應用。材料的結構對材料電化學性能產生巨大影響，因此，對無定型碳材料進行結構和石墨化調控是解決現有鈉離子電池碳負極材料存在問題的一個重要方向。

發明內容

針對以上背景技術中提到的不足和缺陷，本發明的目的在于，提供一種原料易得、重復性好、易于實現工業化生產的三明治結構碳基復合材料的制備方法。

本發明的另一個目的在于，提供一種電子導電性和離子遷移率高的三明治結構碳基復合材料。

本發明的另一個目的在于，提供一種上述三明治結構碳基復合材料在鈉離子電池中的應用。將該碳基復合材料作為鈉離子電池的負極材料，所得鈉離子電池比容量高、倍率性能好、循環性能好。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

本發明中，三明治結構碳基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將殼聚糖與鋅鹽類造孔劑混合均勻，經碳化處理，得多孔碳納米片；

(2)將步驟(1)所得多孔碳納米片浸泡在可溶性鎳鹽溶液中，取出干燥，經CVD氣相沉積，即得三明治結構碳基復合材料。

本發明采用鋅鹽類造孔劑，以殼聚糖作為碳源，經碳化處理制備出多孔碳納米片材料。鋅鹽類造孔劑作為自犧牲模板在碳化過程中分解和氣化，在碳材料中形成大量微小孔洞，得到具有多孔結構的碳納米片材料。再將多孔碳納米片浸泡在可溶性鎳鹽溶液中，取出干燥，通過液相法使鎳離子均勻附著在多孔碳納米片上，實現催化劑(鎳離子)的均勻負載；在CVD氣相沉積過程中，通過鎳的催化作用，石墨化碳均勻生長在多孔碳納米片表面，形成石墨化碳層包覆無定型碳層的三明治結構，石墨化碳層的形成有利于提高材料的電學性能；另外，采用CVD氣相沉積法也便于精確控制石墨化碳層的厚度，從而實現對碳基復合材料結構的精確設計和調控。

通過本發明的方法所得的三明治結構碳基復合材料孔隙率高，層間距適中，反應活性位點豐富，與電解液潤濕性好，為鈉離子和電解液傳輸提供良好的動力學條件，具有良好的鈉離子嵌入和脫出能力，導電性好，該三明治結構碳基復合材料兼具高電子電導率和離子遷移率，可實現鈉離子的快速可逆存儲。