[发明专利]一种薄壁型多孔碳球材料及其制备和作为钠离子电池负极材料的应用

说明书

本发明公开了一种薄壁型多孔碳球材料及其制备和作为钠离子电池负极材料的应用。薄壁型多孔碳球材料为具有薄壁型孔的多孔纳米碳球；其制备方法是将生物质糖类碳源、水溶性无机盐助熔剂及表面活性剂溶于水，得到喷雾溶液；所述喷雾溶液通过喷雾干燥得到多孔碳球前驱体；所述多孔碳球前驱体通过碳化热处理，即得。制备的薄壁型多孔碳球材料活性位点丰富、比表面积大，将其应用于钠离子电池，表现出高比容量、长循环稳定性和倍率性能，且其制备工艺简单，重复性好，具有广阔的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种碳材料，具体涉及一种薄壁型多孔碳球材料及其制备方法，还涉及薄壁型多孔碳球材料在钠离子电池中的应用，属于钠离子电池领域。

背景技术

伴随煤炭、石油、天然气等传统能源的逐渐减少以及日益严峻的环境问题，小型分离移动电源需求呈现出爆炸式增长趋势，以锂离子电池为代表的各种可充电的化学电源越来越受到重视。然而，由于锂在地壳中的元素含量相对较少，分布不均，锂的提取和回收困难，因此有必要开发新型的电池体系。

钠离子电池是近年来快速发展的高性能储能体系。钠在自然界中的储量非常丰富，约占地壳的2.74％，并且广泛分布，有效地降低了成本。同时钠与锂同为第I主族元素，两者具有相似的物理化学特性。因此，钠离子电池具有和锂离子电池类似的脱嵌机制被认为是大规模储能领域的理想选择。

目前，在二次电池领域，基于材料开发成本以及应用前景的考虑，研究较多的钠离子负极材料主要是各种碳基材料，碳材料主要包括石墨碳和非石墨碳两大类。其中，石墨已经广泛应用于锂离子电池。相对于锂离子来说，钠离子的半径要大很多，石墨碳的层间距(0.335nm)太小不适合钠离子的嵌入。另外，有研究指出钠与石墨形成的插层化合物不能稳定存在于自然界，无法有效储钠。而非石墨碳中的无序碳材料却可以拥有更大层间距，更适合钠离子的嵌入，同时丰富的孔结构也利于钠离子的吸附储钠。据相关报道，通过热解葡萄糖得到的无定形碳材料，作为锂离子电池和钠离子电池的负极材料具有相似的嵌入机理，只是嵌入电压值不同。随着研究的深入，学术界认为构建多孔碳材料，通过控制孔的大小和结构调控储钠性能，是提高碳材料容量的有效途径之一，在此基础上，多孔硬碳碳球材料由于其相对大的比表面积和较小的粒子扩散阻力，在钠离子电池领域表现出了优异的容量性能，被认为是有前途的钠离子电池负极材料。但是，传统的多孔硬碳碳球制备工艺往往受制于水热反应或者除去硬模板等繁杂过程，难于大规模工业化生产，且制备的多孔碳球均一性较差，孔隙结构不发达，孔壁厚，比表面积低，导致其离子与电子电导率低，活性位点不丰富，致使其倍率性能，容量性能难以发挥，成为限制多孔碳球材料作为钠离子电池负极材料大规模应用的关键问题。

发明内容

针对现有钠离子电池电极材料存在的缺陷，本发明的第一目的在于提供一种粒径均匀，孔隙发达、孔壁薄，比表面大，孔容较大的薄壁型多孔碳球材料；该多孔碳球具有近球形结构有助于提高材料的振实密度，改善其电极的加工性能，且碳球的薄壁型多孔结构有助于增大活性材料与电解液的接触面积，促进离子的输运和减小扩散距离，同时能容纳储钠过程中产生的体积变化，提高电极的稳定性；薄壁型多孔碳球由石墨微晶组成，拥有丰富的晶体缺陷、边缘和空位等活性位点，以及大层间距，高表面积，丰富的微纳孔道结构，其丰富的活性位点和大碳层间距为钠离子的储存和输运提供便利条件，有助于储钠性能的发挥。

本发明的第二个目的是在于提供一种薄壁型多孔碳球材料的制备方法，该方法工艺简单、重复性好、成本低廉、环境友好，可控度高，易于实现工业化，有效避免了传统多孔碳球制备工艺常涉及到的水热或硬模板的除去工序。

本发明的第三目的在于提供一种薄壁型多孔碳球材料在钠离子电池中的应用，用其作为钠离子电池负极材料应用，可以有效提高钠离子电池比容量和长期循环稳定性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种薄壁型多孔碳球材料，为具有薄壁型孔的多孔纳米碳球；所述薄壁型孔的孔壁厚度为1～16nm。