[发明专利]一种钠离子电池碳基复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钠离子电池碳基复合负极材料的制备方法，通过水热法得到硬碳碳球，通过液相法将含铁源、碳源附着或包覆在硬碳碳球表面，得到负极材料前驱体，将所述负极材料前驱体经过一步碳化得到所述的碳基复合负极材料。此外，本发明还公开了采用所述的制备方法制得的钠离子电池碳基复合负极材料，包括硬碳碳球，以及吸附和/或包覆在硬碳碳球表面的石墨化碳材料。本发明制备方法工艺简单，原料易得，易于实现产业化。本发明制得的部分石墨化碳层包覆碳球复合材料兼具导电性高、层间距大，比表面积适中等优点，该复合材料用于钠离子电池，展示出高的循环性能和优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及钠离子电池领域，具体涉及一种钠离子电池碳负极材料及其制备方法。

背景技术

在二次电池中，因其具备能量密度高、功率密度大、倍率性能好和便携性等优点，锂离子电池得到迅速发展，在众多领域被广泛应用。与此同时，锂资源的局限性势必会限制锂离子电池的发展。研究开发新的二次电池体系势在必行，钠离子电池有望成为下一代大型广泛应用的二次电池。与其他二次电池相比，钠离子电池具有以下优点：1、钠储量丰富，为钠离子电池的发展奠定基础；2、与锂离子电池原理类似，可以借鉴锂离子电池现有成果。

但钠离子电池电压低和钠离子半径大等问题，给钠离子电池开发提出了很多难题。电极材料是决定电池的容量、工作电压和循环寿命等重要的参数。虽然钠离子电池中的反应机制与锂离子电池中相似，然而，钠离子半径比锂离子要大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。

石墨因其较高的体积比容量和良好的循环性能，成为目前广泛的锂离子电池负极材料，然而石墨储钠的容量十分有限。而硬碳碳球层间距较大，被认为是较理想的负极材料。然而硬碳材料作为钠电负极材料依然存在一些问题，如首圈库伦效率低，仅为30％左右，比容量低，倍率性能差。其原因主要是过大的比表面积致使产生大量的不可逆容量衰减，过于丰富的孔结构降低了材料整体的电导性。以上问题严重影响了硬碳材料在钠离子电池中应用，阻碍了高性能钠离子电池的开发。高温碳化法虽然可提高碳材料的库伦效率，但严重破坏了碳材料内部的多孔结构，致使碳材料储钠比容量极低，难以满足商业化钠离子电池的需求。因此开发制备条件温和、结构合适的高效钠离子电池碳负极材料是开发高效钠离子电池急需解决的问题。

发明内容

针对现有钠离子电池负极材料存在的缺陷，本发明的一个目的在于，提出一种层间距大、比表面积适中，导电性好的部分石墨化碳层附着或包覆碳球复合材料，该材料可用于制备库伦效率高、倍率性能优异、循环性能好的钠离子电池的负极材料。

本发明的另一个目的在于提供一种原料易得、成本低廉、可控度高、重复性好、易于实现工业化的部分石墨化碳层附着或包覆碳球复合材料的制备方法。

一种钠离子电池碳基复合负极材料，包括硬碳碳球，以及吸附和/或包覆在硬碳碳球表面的石墨化碳材料。

本发明通过部分石墨化碳材料附着和/或包覆，可解决硬碳材料(硬碳碳球)存在的首圈库伦效率低、倍率性能差等问题；本发明所述的部分石墨化碳层附着或包覆硬碳碳球的层间距大、比表面积适中，导电性好，可实现高储钠比容量与高循环效率的完美结合。将该材料用作钠离子电池的负极材料，可表现出库伦效率高、倍率性能优异、循环性能好的等优势。

吸附和/或包覆在硬碳碳球表面的石墨化碳材料优选为部分石墨化碳材料。

作为优选，所述的钠离子电池碳基复合负极材料为核-壳结构，其中，所述的核为硬碳碳球，壳为石墨化碳材料。