[發明專利]一種鈉離子電池的多孔道碳基電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202010935884.5
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112038630A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 時志強;任慶娟;閆磊;王靜;張桂芳
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054;H01M4/04;D04H1/728;D01D5/00;D04H1/56
• 代理公司: 北京市領專知識產權代理有限公司 11590
• 代理人: 陳有業;任永利

本發明屬于鈉離子電池領域，提供了一種鈉離子電池的多孔道碳基電極及其制備方法。所制備的多孔碳基電極利用高分子在不同溶劑中溶解度差異，采用混合溶液進行紡絲、涂覆、噴霧等方法制備一維納米纖維，二維平板膜，三維微球顆粒；再利用水溶劑誘導產生相分離并使水溶性物質溶出；后經預氧化、炭化處理得到多孔道碳基電極。本方法避免了模板法制備多孔道結構時需要的酸洗/堿洗處理步驟，水作為相分離誘導劑具有成本低廉、綠色環保的優點，且容易工業化。所得的多孔道碳基電極具有大的類石墨微晶層間距、豐富的超微孔、中孔與大孔連續貫通的優點；將其用作鈉離子電池負極時，具有高容量、高倍率和長壽命循環性能。

技術領域

如下說明書屬于鈉離子電池和多孔碳材料技術領域，具體涉及一種鈉離子電池的多孔道碳基電極及其制備方法。

背景技術

由化石燃料枯竭引起的能源危機和環境污染，對建立可持續的、經濟且“綠色”的大規模儲能技術提出了更高的要求。鋰資源短缺且分布十分不均，而鈉資源豐富以及鈉離子電池前驅體的低成本，使得鈉離子電池引起了人們的關注，被認為是鋰離子電池有前途的替代品。由于熱力學原因，鋰離子電池中的商用材料石墨不適合用于鈉離子存儲。硬炭因具有較大的層間距和更多的無序結構更適合存儲鈉離子，而且其價格低廉，易得已經成為目前首選的鈉電負極材料。然而，硬炭材料的活性儲能位點不足和離子擴散動力學較慢，導致硬炭的可逆容量較低和倍率性能較差限制了其實際應用。

設計含有分級多孔通道結構是提高離子擴散能力的有效途徑。分級多孔通道結構具有中孔和大孔結構不僅可以提供電子/離子有效的路徑和轉移空間，還可以觸發電極吸收能力以促進電解質的浸潤。如今，多孔通道結構主要通過化學蝕刻(KOH，NaOH等，如專利CN106587048B)和模板輔助方法(軟模板，硬模板，多模板等，如專利CN108408723A)來制備。但是，這些方法最后必須要去除這些蝕刻劑或模板，例如使用較高的分解溫度或酸洗，這在應用中既浪費能源也對環境不友好。本專利通過簡單的溶劑誘導相分離的方式，將可溶物質溶出前驅體材料從而制備出具有多孔道的碳基材料。由于多孔道結構增強了活性位點和電極動力學，使電極具有優異的可逆容量和倍率性能。本發明使用的水溶劑誘導的相分離方法是一種環境友好且易于使用的方法，目前還未見文獻報道過用此類方法來制備適用于鈉電子電池的多孔道碳基電極材料。

發明內容

本發明提供了可以直接制備出多孔道碳基鈉離子負極材料的一種方法，可以得到孔道結構可控的一維纖維、二維膜、三維微球形貌的碳基電極材料,并將其成功地用作鈉離子電池負極材料。本發明操作方法簡單，使用無毒無害的水溶液作為溶劑，能夠將前驅體材料中可溶物質完全移除，得到的充足的孔道結構，從而最終提升了碳基電極的電解液的浸潤性和離子的遷移速率，并且為鈉離子存儲提供了更多的活性位點，提升了整體電極材料的電化學性能。

技術方案

本發明公開了第一方面公開了一種多孔道碳基電極及其制備方法，其特征在于，該電極是由以下制備方法獲得：

(1)配制含高分子前驅體和水溶性物質的混合溶液；

(2)將混合溶液通過紡絲、涂覆、噴霧等方式制備成一維納米纖維、二維平板膜和三維微球顆粒的復合材料；

(3)將復合材料通過水溶劑誘導的方式進行相分離，使可溶于水的物質分離，得到不溶的多孔道的碳前驅體材料；

(4)將多孔道的碳前驅體材料進行預氧化、炭化處理，可得到多孔道碳基電極材料。

優選地，步驟(1)中所述配制的混合溶液的具體步驟如下：

將高分子前驅體和水溶性物質溶于有機溶劑中，配制成濃度為1～30wt％的紡絲溶液、1～30wt％鑄膜液或0.1～5wt％的噴霧溶液，在40～100℃的溫度下，攪拌0.5～48h后，得到均一透明的混合溶液。

優選地，步驟(2)制備成復合材料的步驟及條件如下：