[發(fā)明專利]一種高能量密度鈉離子電池用硬碳負(fù)極的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210076858.0
• 申請(qǐng)日: 2022-01-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114335523A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶瑩;李琦;張一波;張俊;楊涵;楊全紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/587
• 分類號(hào): H01M4/587;H01M4/1393;H01M10/054;C01B32/05
• 代理公司: 廣東莞信律師事務(wù)所 44332
• 代理人: 曾秋梅

本發(fā)明屬于鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有優(yōu)異儲(chǔ)鈉性能的高能量密度鈉離子電池用硬碳負(fù)極的制備方法，所述硬碳負(fù)極包括多孔碳和用于調(diào)節(jié)表面孔口尺寸的化學(xué)氣相沉積碳；所述硬碳負(fù)極保留了所述多孔碳內(nèi)部連貫的孔道結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)化學(xué)氣相沉積設(shè)計(jì)出碳包覆的碳?碳復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔碳表面孔口尺寸的調(diào)控，同時(shí)結(jié)合前驅(qū)體顆粒粒徑、比表面積、孔徑以及氣源濃度和催化劑對(duì)儲(chǔ)鈉性能的影響，設(shè)計(jì)出在首次庫(kù)倫效率、倍率性能、平臺(tái)容量上表現(xiàn)優(yōu)異的硬碳負(fù)極，對(duì)推動(dòng)高能量密度鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程具有指導(dǎo)意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有優(yōu)異儲(chǔ)鈉性能的高能量密度鈉離子電池用硬碳負(fù)極的制備方法。

背景技術(shù)

隨著如今信息化社會(huì)的高速推進(jìn)以及文明的科學(xué)化發(fā)展，能源格局正發(fā)生著重要的變革。眾所周知，化石能源的大量消耗會(huì)帶來(lái)眾多的環(huán)境問(wèn)題，諸如城市空氣的惡化以及全球變暖，其后果令人擔(dān)憂。此外，貧油少氣的資源特點(diǎn)使得我國(guó)對(duì)國(guó)外化石能源的依存度居高不下，這將帶來(lái)持續(xù)走高的能源安全風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，以風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能為代表的綠色能源成為我國(guó)擺脫能源危機(jī)的重要突破口。而隨著如今電動(dòng)中國(guó)政策的推進(jìn)，儲(chǔ)能作為智能電網(wǎng)中不可或缺的環(huán)節(jié)帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)需求。盡管鋰離子電池如今仍是電化學(xué)儲(chǔ)能的主要體系，但受鋰資源儲(chǔ)量和分布不均勻的限制，很難在未來(lái)獨(dú)自承擔(dān)起儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的壓力。相比之下，鈉資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本低廉，因而和鋰離子電池同期問(wèn)世的鈉離子電池再次回到人們視野中，成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)，也是我國(guó)在新能源行業(yè)領(lǐng)先世界的重要契機(jī)。

在眾多可供鈉離子電池選擇的負(fù)極材料中，碳負(fù)極具有較低的電位、較高的容量、穩(wěn)定的物化性質(zhì)以及低廉的成本，成為鈉離子電池商業(yè)化發(fā)展的首選負(fù)極材料。然而促成鋰離子電池商業(yè)化的石墨負(fù)極，卻因與鈉之間的低階插層化合物熱力學(xué)不穩(wěn)定而無(wú)法用作鈉離子電池的負(fù)極。硬碳材料具有較大層間距、豐富的缺陷以及石墨微晶無(wú)序堆疊形成的納米孔結(jié)構(gòu)，這些都成為可用于鈉離子儲(chǔ)存的活性位點(diǎn)，因此成為最有希望推動(dòng)鈉離子產(chǎn)業(yè)化的負(fù)極材料。然而，自2000年硬碳用作鈉電負(fù)極至今，人們?nèi)匀徊荒芡笍氐睦斫忖c離子在硬碳無(wú)序結(jié)構(gòu)中的儲(chǔ)存機(jī)理，且研究中被選作負(fù)極的硬碳材料大多首次庫(kù)倫效率較低、平臺(tái)容量較短，再加上合成成本高昂，使得鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程很難進(jìn)一步推進(jìn)。

有鑒于此，有必要提供一種具有優(yōu)異儲(chǔ)鈉性能的高能量密度鈉離子電池用硬碳負(fù)極的制備方法，其在多孔碳顆粒表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方法包覆一層碳材料以實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔碳表面孔口尺寸的調(diào)控，同時(shí)發(fā)現(xiàn)多孔碳顆粒的粒徑、孔徑和多孔碳前驅(qū)體的比表面積對(duì)硬碳負(fù)極的性能影響很大，從而做出了優(yōu)化選擇。該方法的提出對(duì)推進(jìn)鈉離子電池硬碳負(fù)極的商業(yè)化進(jìn)程具有重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有優(yōu)異儲(chǔ)鈉性能的高能量密度鈉離子電池用硬碳負(fù)極的制備方法，其采用化學(xué)氣相沉積碳包覆多孔碳顆粒的結(jié)構(gòu)，在調(diào)節(jié)表面孔口尺寸的同時(shí)可以保留內(nèi)部孔道的連貫性，有助于鈉離子在孔道內(nèi)部的快速擴(kuò)散和儲(chǔ)存；同時(shí)所選用的前驅(qū)體具有合適的粒徑，有助于加快離子的固相擴(kuò)散速率；材料的內(nèi)部孔容可以提供充足的儲(chǔ)鈉空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的離子傳輸。綜合以上設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升該硬碳負(fù)極的平臺(tái)容量、首次庫(kù)倫效率、以及倍率性能，促進(jìn)鈉離子電池的商業(yè)化。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高能量密度鈉離子電池用硬碳負(fù)極的制備方法，所述硬碳負(fù)極包括多孔碳和用于調(diào)節(jié)表面孔口尺寸的化學(xué)氣相沉積碳；所述硬碳負(fù)極保留了所述多孔碳顆粒內(nèi)部連貫的孔道結(jié)構(gòu)；所述硬碳負(fù)極的制備方法至少包括如下步驟：

第一步，對(duì)多孔碳前驅(qū)體進(jìn)行研磨，得到合適粒徑且內(nèi)部具有豐富納米孔道的多孔碳粉末；

第二步，將多孔碳粉末放入管式爐中，通入保護(hù)氣體，以一定的升溫速率升溫至目標(biāo)溫度；

第三步，通入含碳元素氣源，在目標(biāo)溫度下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積；該溫度使含碳?xì)庠纯焖倭呀猓瑲夥罩械暮夹》肿訚舛壬摺?/p>