[发明专利]一种三维多孔碳材料及其制备和在钠离子电池中的应用

说明书

本发明属于钠离子电池材料领域，具体公开了一种三维多孔碳材料，为由碳纳米片构成的三维多孔材料，比表面积为100～2000m²/g；所述的碳纳米片厚度为10～100nm。本发明还公开了所述的三维多孔碳材料的制备方法，将多巴胺和蒙土矿置于溶液中，进行聚合反应得前驱体；所述的前驱体经过热处理、洗涤，得到层状碳纳米片材料；将层状碳纳米片材料在溶解有阳表面活性剂的溶液中进行水热反应，随后再将水热反应产物进行碳化处理，即得所述的三维多孔碳材料。该方法原料易得，制备工艺简单，重复性好；制备的三维多孔碳材料具有孔隙丰富、交联度高，结构稳定、比表面积大、导电性好等优点，将其用于钠离子电池，展示出良好的电池性能。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料，特别涉及一种用作钠离子电池负极材料的三维多孔碳材料。

背景技术

钠离子电池凭借钠储量丰富，成为新一代二次电池体系的研究热点。与锂离子电池相比，钠离子电池具有负极电压高和钠离子半径大等问题，给高效钠离子电池开发提出了很多难题。电极材料决定着电池的容量、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，由此可见在借鉴锂离子电池现有成果同时必须针对钠离子特点开发出储钠性能优异的材料。

石墨烯材料凭借其优良的层内导电性和高的载流子迁移率而备受瞩目。然而石墨烯材料用于钠离子电池负极材料依然存在一些问题亟需解决(Advanced Materials，2015，27(12)：2042-2048.)，如制备成本高、缺乏量产工艺，与此同时石墨烯层层之间易团聚和堆叠，从而减弱了其本身性能的发挥。因此制备工艺简单、成本低廉的碳纳米片材料在商业化钠离子电池碳负极材料领域具有广阔的应用前景。然而普通的碳纳米片材料依然存在着结构稳定性差等问题，因此构筑结构稳定的碳纳米片材料迫在眉睫。

发明内容

为解决碳纳米片的结构稳定性差，易团聚和堆叠等技术问题，本发明第一目的在于，提供了一种三维多孔碳材料，旨在提升一种结构稳定、多孔的碳材料。

本发明的第二目的在于，提供了所述的三维多孔碳材料的制备方法。

本发明的第三目的在于，提供了一种所述的三维多孔碳材料作为钠离子电池负极材料的应用方法，旨在明显改善钠离子电池倍率性能和循环性能。

一种三维多孔碳材料(本发明也称为碳气凝胶)，为由碳纳米片构成的三维多孔材料，比表面积为100～2000m²/g；所述的碳纳米片厚度为10～100nm。

本发明所述的三维多孔碳材料由厚度为10～100nm的碳纳米片构成；所述的三维多孔碳材料具有高交联度和孔隙率，层间距适中，比表面积大，导电性好；将该材料用作钠离子电池的负极材料，可明显改善钠离子电池倍率性能和循环性能。

作为优选，所述的三维多孔碳材料的比表面积为500～2000m²/g；进一步优选为1000～2000m²/g。

本发明还公开了所述的三维多孔碳材料的制备方法，将多巴胺和蒙土矿置于溶液中，进行聚合反应得前驱体；所述的前驱体经过热处理、洗涤，得到层状碳纳米片材料；将层状碳纳米片材料在溶解有阳表面活性剂的溶液中进行水热反应，随后再将水热反应产物进行碳化处理，即得所述的三维多孔碳材料。