[发明专利]一种钠离子电池锑/掺氮碳纳米片负极复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池负极材料的制备方法，属于钠离子电池领域。

背景技术

锂离子电池作为一种储能器件，已经在便携式电子产品、电动汽车和即插式混合电动车中广泛应用。但由于锂资源的匮乏及锂离子电池高昂的造价，锂离子电池的大规模商业化应用将面临严峻考验。研究开发新的可用于大规模商业化应用的电池体系势在必行。钠与锂在元素周期表中处于同一族，有着与锂相似的物理化学性质，同时，钠与锂相比，还具有储量丰富的优点(锂的地壳丰度为0.006％，钠的地壳丰度为2.64％)。这使得钠离子电池成为一种最具潜力的可用于大规模商业化应用的电池体系。目前，钠离子电池发展的最大难题在于电极材料的选择，主要原因在于，钠离子的半径较锂离子大55％，使得钠离子难于可逆脱嵌。因此，研究开发新的电池材料对钠离子电池发展至关重要。

过去的几十年时间里，科研工作者虽然对钠离子电池的正极材料进行了广泛研究，但对负极材料的研究仍处在起步阶段。碳材料具有导电性能好、制备方法多样、层状结构间距大等优点，被认为是一种良好的钠离子电池负极材料。自碳材料第一次用作钠离子电池负极的报道以来，科研工作者为提高其储钠性能，提出了许多实验思路。其中，构造纳米结构的碳(比如：碳纤维、中空碳球、中空碳纳米线等)被证实是一种有效可行的方法。二维纳米结构在储能领域是一种有前景的纳米结构。二维结构的碳纳米片用作钠离子电池负极时，将可以实现与电解液的充分接触、缩短电子或钠离子在其中的传输距离并可以有效缓解电极材料在充放电过程的受力，从而避免结构的破坏。目前，碳纳米片的制备方法主要是电弧放电法，等离子体增强化学气相沉积、模板法等，这些方法不仅设备要求高，工艺复杂，且产量较低。受碳材料自身储钠的限制，其质量比容量及体积能量密度仍达不到钠离子电池商业化的要求。

锑用作负极时，在充放电过程中一个锑原子可以与三个钠原子反应形成Na₃Sb，与碳材料相比，锑具有较高的理论比容量(660mAh g^-1)，被认为是一种可实现钠离子电池商业化的负极材料。但锑在钠离子电池的充放电过程中，面临着导电性低、体积膨胀及颗粒团聚等问题，导致负极材料开裂粉化，从而导致电极容量衰减，循环稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题，提出一种钠离子电池锑/掺氮碳纳米片负极复合材料的制备方法，通过该方法制得的材料可具有高的比表面积，高的导电性，能有效储钠，电子或钠离子传输距离短，导电性能好，倍率性能良好，比容量高且在充放电过程中结构不易破坏；且制备方法操作简单、成本低、适用大规模化生产。

本发明的制备方法是：将氧化石墨超声处分散在水溶液中；以氧化石墨为模板，加入多巴胺单体及三羟甲氨基甲烷缓冲液(Tris-HCl)，调节溶液的pH为8～9，多巴胺单体在氧化石墨进行聚合包覆的同时加入含锑前驱体与表面活性剂；70～200℃下搅拌，直到溶液呈凝胶状，经冷冻干燥得前驱体材料；于500～1000℃高温碳化还原前驱体材料，得到锑/掺氮碳纳米片复合材料。

所述锑/掺氮碳纳米片复合材料中锑的质量含量为30％～80％。

本发明中锑/掺氮碳纳米片的厚度优选为45～200nm，其厚度可以根据通过氧化石墨与多巴胺单体质量比进行有效调控。

所述锑/掺氮碳纳米片复合材料的比表面为100～400m²/g。

所述锑/掺氮碳纳米片复合材料的氮质量含量为2％～10％。

所述的锑/掺氮碳纳米片复合材料，锑颗粒的大小为5～70nm。本发明中锑颗粒大小通过含锑前驱体与氧化石墨的质量比进行有效调控。

本发明中的聚合包覆氧化石墨是通过将多巴胺溶液加入到氧化石墨溶液中发生聚合反应，在氧化石墨表面生成聚合物层来实现。

所述的表面活性剂优选为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基磺酸钠(SDS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或几种。

本发明的方案中优选氧化石墨∶多巴胺单体∶含锑前驱体质量比＝0.1～1∶2～30∶3～40。

本发明的锑/掺氮碳纳米片负极的具体的制备过程为：

第一步：将氧化石墨加入到去离子水中，超声处理2～4小时，使氧化石墨在去离子水中分散完全，浓度为0.2～1g/L；