[發明專利]一種具有豆莢結構的石墨相碳化氮/石墨負極復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202010938230.8
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112054175A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 石海婷;顏雪梅;徐志偉;梁帥統;裴曉園;劉梁森;劉義
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054;C01B32/20
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本發明屬于鈉離子電池技術領域，具體涉及一種應用于鈉離子電池負極具有豆莢結構的石墨相碳化氮石墨復合材料的制備方法。其內容是選擇適量的鱗片石墨與石墨相碳化氮在適合的球磨速率以及球磨時間進行高能球磨。在球磨過程中，鱗片石墨與球磨時產生能量驅動石墨相碳化氮發生卷曲，形成管狀結構，并將石墨包覆在管狀結構中，形成類豆莢結構。該復合材料導電性良好，結構與化學性質穩定，將其作為鈉離子電池負極材料，其表現出高比容量、良好倍率性能和長循環穩定性能，且復合材料制備過程采用的原料廉價、生產周期短，易于實現工業化應用。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池技術領域，具體涉及一種應用于鈉離子電池負極具有豆莢結構的石墨相碳化氮/石墨復合材料的制備方法。

背景技術

近年來能源環境問題日益突出，鋰資源有限，開采困難。因此，開發一種安全高效、能量轉換效率高、循環壽命長、能替代鋰電池的的儲能系統迫在眉睫。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，且鈉資源豐富、分布廣泛、價格低廉，使鈉離子電池重新回到科研工作者的視野。目前，已經報道的鈉離子電池負極材料主要有碳基材料、合金型材料、嵌入型材料以及轉化型材料，然而在鋰離子電池中已經商業化的石墨(graphite)材料鮮有報道，這主要是由于Na⁺半徑比Li⁺半徑大，使得Na⁺在石墨材料中難以有效地進行脫嵌，且石墨難以與鈉形成穩定的NaC₆，故傳統的石墨材料不適合儲鈉。

石墨相碳化氮(g-C₃N₄)是一種二維(2D)層狀類石墨烯結構的碳材料，碳原子和氮原子按照一定比例構成。它具有豐富的多孔結構，含氮量高，化學穩定性好(耐酸、堿和各種有機溶劑)，制備工藝簡單、成本較低，和潛在的高倍率性能而引起了許多研究者們的關注。但是，g-C₃N₄的導電性與循環穩定性差，Na⁺可逆儲存低(例如，10mAh g^-1)，為提高電子電導率和循環穩定性，本發明將導電性良好的鱗片石墨與g-C₃N₄復合提高其導電性，進一步提高其作為鈉離子電池負極材料的電化學性能。

本發明提出的g-C₃N₄包覆鱗片石墨材料主要是針對現有技術中石墨與石g-C₃N₄作為鈉離子電池負極材料應用過程中存在的技術問題做出的改進方案?，F有的石墨具有低的儲鈉性能，很容易在鈉離子脫嵌過程中結構破壞，表現出循環性能差。g-C₃N₄化學穩定性好，導電性差，表現出倍率性能差。本發明設計出一種全新的復合碳材料，復合碳材料具有管狀豆莢結構，其內核為無定形化石墨，外層為少層g-C₃N₄。內核無定形石墨增加了材料的整體導電性，彌補了g-C₃N₄的劣勢，更有利于電子間的傳導和鈉離子的儲存，能夠提高材料的倍率性能；而外層管狀g-C₃N₄比表面積增加，化學穩定性好，能夠緩解鈉離子在鱗片石墨間嵌入和脫出過程中的體積膨脹問題，提高了石墨材料的循環穩定性。因此，g-C₃N₄包覆鱗片石墨材料實現了鈉離子電池負極材料高比容量、高倍率性能和高循環性能的完美結合。

發明內容