[發明專利]微孔超薄軟碳納米片及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811286331.0
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109449440B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 麥立強;姚旭輝;柯雅潔
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M10/054;C01B32/15;B82Y30/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明涉及微孔超薄軟碳納米片電極材料及其制備方法和應用，其厚度為20?30納米，形貌為大小均一的納米片；具有褶皺結構的表面；具有大量的微孔以及位于晶格邊緣的缺陷位點，以提供額外的離子存儲位點。本發明的有益效果：本發明所制備的微孔超薄軟碳納米片電極材料相較于傳統軟碳電極材料具有更大的比表面積以及大量微孔結構，不僅增強了離子在材料體相中擴散性能，而且增加了材料與電解液的活性界面，增強了材料在電化學反應過程中的動力學，提高了其電容性的容量貢獻，表現出極好的倍率性能，可實現快速的充放電。

技術領域

本發明屬于納米材料與電化學技術領域，具體涉及微孔超薄軟碳納米片電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

如今，鋰離子電池由于其出色的性能在電化學能量存儲器件領域得到廣泛應用，然而鋰資源的有限以及高成本已不能滿足日益增長的大規模儲能需求。鈉離子、鉀離子等作為與鋰離子具有相似電化學性能，并且儲量更豐富，售價更低廉的原材料，有希望在未來的電化學儲能應用中取代鋰離子從而受到廣泛的關注。然而，由于其較大的離子半徑和在嵌入、脫嵌中較大的體積變化，導致電池的能量密度和循環穩定性還不能完全滿足應用要求。因此，探索合適的可以解決上述問題的電極材料是新型離子電池廣泛應用的前提。

軟碳作為一種電池領域極具發展前景的負極材料，因其具有層間距可調、優異的結構穩定性和良好的電子導電性等特性而受到廣泛的關注。與此同時，由于鈉離子插層化合物的形成困難，關于軟碳在鈉離子電池以及鈉基雙離子全電池等方面的探索還遠遠不夠，尚未充分挖掘與高容量和快速充電相關的軟碳的全部潛力以及其存儲機制也需要進一步研究。因此，更多關于提高軟碳電極材料的電化學性能特別是倍率性能和循環穩定性的工作亟待研究。

研究表明，納米材料(如納米線、納米棒、納米顆粒、納米片等)的比表面積較大且尺寸較小，可以縮短離子的擴散路徑，提高電極材料的離子電導率，同時有效減少材料內部應力，最終防止電極材料在充放電過程中的結構崩塌。然而，由于納米材料所形成不穩定的SEI數量較多，使電極材料的不可逆容量增加且庫倫效率降低。構筑穩定的微孔納米片結構被認為是解決這些問題的有效途徑之一。與普通納米材料相比，納米片材料除了具有短的離子擴散路徑、高的離子電導率外，更具有連續的電子傳導優點，有效減少大電流密度下的極化效應，最終提高材料的電化學性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術而提出一種微孔超薄軟碳納米片及其制備方法，所得材料具有超大的比表面積及大量微孔結構，極大增強了材料的離子擴散性能，材料中大量的晶格缺陷提供了堿金屬離子的額外存儲位點，提高其容量，其作為堿金屬離子電池負極活性材料時，表現出高能量密度、高倍率、循環穩定性好的特點。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：微孔超薄軟碳納米片，其是厚度為20-30納米，形貌大小均一的納米片；具有褶皺結構的表面；具有大量的微孔以及位于晶格邊緣的缺陷位點，以提供額外的離子存儲位點。

所述的微孔超薄軟碳納米片的制備方法，包括以下步驟：

1)將軟碳加入表面活性劑的水溶液中，采用超聲處理以均勻分散；

2)將強堿性溶液溶入步驟1)所得溶液中，水浴加熱攪拌，攪拌完成后再微波處理；

3)用酸性溶液洗滌獲得的固體粉末以除去強堿，繼續水洗后空氣氣氛下烘干；

4)最后在流動惰性氣氛下煅燒，得到微孔超薄軟碳納米片。

按上述方案，所述的軟碳采用下述方法獲得：取3，4，9，10-四羧酸酐在流動惰性氣氛中以3-8℃min^-1的升溫速率升溫至800-1000℃保溫8-12h。

按上述方案，所述的表面活性劑為聚乙烯吡咯烷酮。

按上述方案，步驟1)所述的軟碳的質量為0.5-2g，所述的表面活性劑的質量為5-15g，水的用量為80-150ml。