[发明专利]一种三维多孔纳米结构碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料的制备方法，具体涉及一种三维多孔纳米结构碳材料的制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池是发展前景最为明朗的高能电池体系，但随着数码、交通等产业对锂离子电池依赖加剧，有限的锂资源必将面临短缺问题。因为钠资源丰富，成本低廉，钠离子电池相对于锂离子电池在价格上有明显优势。我国也有大量的钠矿，因此发展室温钠离子电池来代替锂离子电池是未来二次储能电池的趋势。

钠离子比锂离子要大55％左右，钠离子在相同结构材料中的嵌入和扩散往往都相对困难，同时嵌入后材料的结构变化会更大，因而电极材料的比容量、动力学性能和循环性能等都相应地变差。如，石墨在锂离子电池中是优良的负极材料，而钠离子却难以嵌入到石墨层中，有研究表明，只有当其层间距增大到0.37nm以上时，钠离子才能有效地实现可逆的嵌入钠离子

一维、二维碳材料的高得比表面可以缩短电子、钠离子的扩散长度，但在充放电中材料容易塌陷，易团聚。三维材料不仅具低维材料的优势，而且能易于实现密堆积，从而提高电极的体积能量密度，同时三维多孔结构有利于钠离子均匀地从各方向嵌入，能够保持材料结构的稳定性，从而提高材料的结构稳定性和倍率特性，因而，三维碳材料用作钠离子电池负极材料的研究得到了研究者的重视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维多孔纳米结构碳材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明以价格低廉的海藻酸钠为前驱体，利用活化剂，通过高温碳化工艺，制得三维纳米结构的钠离子电池负极碳材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维多孔纳米结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将活化剂与海藻酸钠按照质量比为1：(1-5)溶于蒸馏水中，得到均匀的粘稠液体；

2)将粘稠液体经冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状物质；

3)在惰性气氛下将海绵状物质进行碳化处理，碳化结束后冷却至室温，然后去除活化剂后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行真空干燥处理，获得三维多孔纳米碳材料。

进一步地，步骤1)中的活化剂为KOH、NaOH、ZnCl₂、K₂CO₃或Na₂CO₃中的一种。

进一步地，步骤1)溶解温度为60-90℃，并磁力搅拌0.5-3.0h得到均匀的粘稠液体。

进一步地，步骤1)中均匀的粘稠液体中海藻酸钠的浓度为20-100g/L。

进一步地，步骤3)的惰性气氛为氮气或氩气，且气体的流速为20sccm～100sccm。

进一步地，步骤3)的碳化处理是以2-10℃/min的升温速率进行升温，升温至600-1000℃，碳化2-6h。

进一步地，步骤3)中去除活化剂是在稀酸中浸泡，所述稀酸为盐酸，且盐酸的浓度为1-3mol/L，温度为80℃，浸泡时间为6-12h。

进一步地，步骤3)中真空干燥的温度为60-80℃，时间为8-12h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的制备方法具有操作简便易行，可重复性强，成本低，对环境无污染的特点。利用本方法制备的海藻酸钠衍生碳材料作为室温钠离子电池的负极材料，能够克服块体碳材料电池容量低、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、电池容量高的特点。本方法具有操作简单、可重复性高、成本低廉的特点。

进一步地，本发明采用冷冻干燥预处理，随后高温碳化的方式得到三维多孔纳米碳材料。在冷冻干燥预处理阶段，活化剂与海藻酸钠溶于水后，可形成均匀体系，保证了后续碳化结构的均匀性；通过冷冻干燥保留疏松的的结构，从而避免了碳化煅烧阶段的急剧交联过程。且在高温处理时，活化剂与对碳产生刻蚀，产生的碳酸盐、氧化物等小分子气对单个石墨微晶或微晶群形成刻蚀而生成不同孔径的孔隙，活化过程中反应生成的小分子气体，如CO、CO₂、H₂、H₂O等，沿着已有孔道流出的过程中，因高温膨胀而起到扩孔的作用。另外，在活化的过程中产生的金属蒸汽将进入石墨层间，发挥造孔、扩孔的作用。

进一步地，通过控制反应条件，本发明以价格低廉的海藻酸钠为前驱体，一步高温碳化工艺，制得钠离子电池负极碳材料，并证实海藻酸钠衍生碳材料具有很高的钠电比容量(290mAh/g)，可以当作钠电负极材料使用。

附图说明