[發明專利]一種自支撐三維多孔碳負極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201910333124.4
• 申請日: 2019-04-24
• 公開（公告）號: CN110061236A
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 黃劍鋒;何元元;李嘉胤;曹麗云;李倩穎;黨歡;劉倩倩;賀菊菊
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/05
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 張震國

一種自支撐三維多孔碳負極材料的制備方法，將蔗糖溶解于丙酮?去離子水混合溶劑中得到前驅體溶液；將泡沫鎳自支撐體和前驅體混合后進行水熱反應后，自然冷卻至室溫，對產物進行洗滌、干燥；將上述產物置于惰性氣氛下熱處理，得到最終產物。本發明以金屬泡沫鎳作為自支撐體，在其表面原位生長三維多孔碳材料。后續熱處理過程中，金屬鎳的催化石墨化作用，使得與金屬鎳相連部分能夠部分石墨化，提高電子傳導率。同時三維多孔使其具有較大的比表面積，可與電極材料充分接觸，為鈉離子提供較多的附著位點，使其具有較高的容量。該方法所用原料成分穩定，來源廣泛，工藝操作簡單，所制備的電極無需后續涂膜工藝，降低容量損失，利與工業化生產。

技術領域

本發明屬于自支撐電極制備技術領域，具體涉及一種鈉離子電池用自支撐三維多孔碳負極材料的制備方法。

背景技術

鋰離子電池在能量密度、倍率性能以及循環穩定性等方面表現出卓越的性能，被公認為是最優異的儲能電池系統。鋰離子電池不僅可用于便攜式電子設備，而且在大規模固定電能存儲等領域都有應用，已迅速滲透到日常生活中。但是，由于地球上鋰的儲量有限，不足以滿足未來鋰離子電池市場的巨大需求，研究開發其他廉價的儲能電池系統顯得非常關鍵。鈉資源豐富，成本低廉，具有與鋰相似的物理化學性質，且鈉離子電池與鋰離子電池的充放電機理類似。雖然鈉離子電池的能量密度低于相應的鋰離子電池，但動力和儲能電池對比能量的要求不苛刻，使得鈉離子電池(SIBs)可替代鋰離子電池成為新一代綜合效能優異的儲能電池體系。

基于鋰離子電池技術的成功經驗，用于鈉離子電池的高性能正負極材料的研究開發已取得了突破性進展。目前，大量研究主要集中在鈉離子電池正極材料上，而負極材料的選擇更受限制。碳基負極材料具有原料豐富、成本低廉、合成簡單和工作電位低等特點，非常適合用于構建性能優異的鈉離子電池。已經研究了各種碳材料，包括石墨，膨脹石墨，無定形碳，和石墨烯。在所有的碳負極候選者中，由于高電化學活性和相對低的成本，硬碳引起了很多關注。硬碳含有大量的無序結構，有缺陷和空隙，這有助于高可逆容量。但是不同的形貌結構對初始不可逆容量損失有較大的影響。Wenzel等人(Wenzel S,Hara T,JanekJ,et al.Room-temperature sodium-ion batteries:Improving the rate capabilityof carbon anode materials by templating strategies[J].Energy&EnvironmentalScience,2011,4(9):3342-3345.)已經證明，通過引入分級多孔結構可以獲得高負載量的碳負極材料。目前已經研究了空心碳納米球(Tang K,Fu L,White R J,et al.HollowCarbon Nanospheres with Superior Rate Capability for Sodium-Based Batteries[J].Advanced Energy Materials,2012,2(7):873-877.)，塊狀碳(Zhou X,Guo YG.Highly Disordered Carbon as a Superior Anode Material for Room-TemperatureSodium-Ion Batteries[J].Chemelectrochem,2014,1(1):83–86.)和多孔碳(陳立,李曉鵬,陳宇馳,等.廢棄生物質水葫蘆多孔碳用于鋰離子和鈉離子電池負極的研究[J].化學研究與應用,2017,29(10):1525-1529.)等不同形貌的碳材料。

現階段，大多數的研究院所和工廠均經涂布法來制備電極，需綜合考慮涂布的層數、濕涂層的厚度、涂布液的流變特性、要求的涂布精度、涂布支持體材料及涂布速度等，工藝復雜、技術難度及成本較高[趙伯元.鋰離子電池極片涂布技術和設備研究[J].電池,2000,30(2):56-58.]。粘接劑和導電劑的加入會直接降低電池容量，且涂布的質量取決于操作者的涂布技術，難以工業化生產。自支撐電極在實現復合材料協同效應的同時免去了涂布過程，有很大的應用潛力。因此設計自支撐三維多孔碳負極材料是通過優化Na⁺的傳輸路徑來提高碳基材料儲存容量和降低電池容量損失的有效策略。