[發明專利]一種碳化釩修飾硬碳材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110868367.5
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113809289B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 潘安強;陳福平;曹鑫鑫
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/58;H01M4/133;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 袁靖

本發明屬于電池技術領域，公開了一種碳化釩修飾硬碳復合儲能材料、制備方法及應用。其制備包括以下步驟：(1)在水溶液中加入碳源和釩源，攪拌一定時間后，將混合溶液加入反應釜中進行水熱反應，反應完成后對產物進行離心、洗滌和干燥；(3)將上述獲得的產物，在保護氣氛中進行碳化，得到所述碳化釩修飾硬碳復合儲能材料。本發明制備方法簡單，制備的碳化釩修飾硬碳復合儲能材料具有較高的振實密度和優異的電化學穩定性，在儲能方面具有良好的市場應用前景。

技術領域

本發明屬于儲能材料及其制備領域，具體涉及一種碳化釩修飾硬碳材料及其制備方法與應用。

背景技術

隨著社會的不斷發展，目前人類面臨著兩大新問題：第一，煤、石油、天然氣等化石燃料的日益枯竭；第二，自然環境的不斷惡化。加大對可再生能源和清潔能源的研究是解決這類問題的關鍵，研發出高能量密度、高功率密度、長循環壽命的高性能儲能系統則是重中之重。高效的能源儲存與轉化裝置是新能源利用的關鍵，電極材料作為決定儲能裝置性能的關鍵，研究性能優異的電極材料對儲能裝置的發展具有重要的研究意義。硬碳材料因其低成本，導電性好，電壓平臺低易于合成以及可再生性被認為最有前景的負極材料，被廣泛應用于鋰離子電池，鈉離子電池及鉀離子電池等各類儲能器件。

鈉離子電池和鉀離子電池具有和鋰離子電池類似的作用機理，但鈉離子和鉀離子比鋰離子的直徑大得多，導致離子嵌入/脫出電極的速度變慢，目前商用石墨層間間距較小不利于鈉離子和鉀離子的嵌入/脫出。然而，硬碳材料是指石墨化程度很低的碳材料，通常采用高分子熱解的方法制備得到。硬碳材料在宏觀上表現為無序結構，在微觀上表現為由不同取向的石墨微晶，鋰離子、鈉離子和鉀離子可以嵌入到這些不同取向的石墨微晶之間的空隙當中，也能夠部分地嵌入到石墨微晶的片層之中，其表現出了良好的低電壓平臺和優良的儲能性能，被認為是最有應用前景負極材料。但硬碳首圈庫倫效率較低，主要是由于電解液與電極材料在固液相界面上發生反應，電解液還原分解形成固態電解質界面膜(SEI膜)和鈉離子不可逆地嵌入無定形碳或石墨微晶層間。提高材料的比表面積和增加材料表面的活性位點能夠有效的改善庫倫效率，但制備多孔材料來增加材料的比表面積會使得材料具有較低的振實密度，體積能量密度較低，限制了鈉離子電池的實際應用。針對硬碳材料的不足，對其進行了修飾改性，制備了碳化釩修飾硬碳復合儲能材料，具有高的振實密度，提高了材料的庫倫效率，增加了低電位平臺容量，減少了電極表面副反應，提高了電化學性能。

發明內容

針對上述提到的現有技術的不足和缺陷，本發明的首要目的在于提供一種碳化釩修飾硬碳材料。

一種碳化釩修飾硬碳材料，是在球形碳材料表面負載了碳化釩顆粒。

進一步地，所述的碳化釩修飾硬碳材料，所述的球形碳材料的直徑為200-2000nm；碳化釩含量為0.5％-30％，碳化釩顆粒大小為10-200nm。

本發明的第二個目的是提供一種碳化釩修飾硬碳材料的制備方法，包括如下步驟：

1)在水溶液中按照預定比例加入碳源和釩源攪拌均勻，在反應釜內進行水熱反應，冷卻后取出，清洗，烘干；

2)將步驟1)產物在保護氣氛中進行碳化，得到碳化釩修飾硬碳材料。

進一步地，所述的制備方法，所述步驟1)所述水為去離子水、蒸餾水或者超純水中的一種。

進一步地，所述的制備方法，所述步驟1)所述碳源為葡萄糖，控制總反應體系中摩爾濃度為0.25-5mol/L，優選0.25-2mol/L；所述碳源為蔗糖，控制總反應體系中摩爾濃度為0.125-3mol/L，優選0.125-1mol/L。

進一步地，所述的制備方法，步驟1)中釩源為釩鹽，優選草酸釩，控制總反應體系中摩爾濃度為0.002mol/L-0.1mol/L。

進一步地，所述的制備方法，步驟1)中所述水熱反應溫度為120-250℃，優選160-200℃，反應時間為1-60h，優選6-20h。