[发明专利]微孔超薄软碳纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及微孔超薄软碳纳米片电极材料及其制备方法和应用，其厚度为20‑30纳米，形貌为大小均一的纳米片；具有褶皱结构的表面；具有大量的微孔以及位于晶格边缘的缺陷位点，以提供额外的离子存储位点。本发明的有益效果：本发明所制备的微孔超薄软碳纳米片电极材料相较于传统软碳电极材料具有更大的比表面积以及大量微孔结构，不仅增强了离子在材料体相中扩散性能，而且增加了材料与电解液的活性界面，增强了材料在电化学反应过程中的动力学，提高了其电容性的容量贡献，表现出极好的倍率性能，可实现快速的充放电。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及微孔超薄软碳纳米片电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

如今，锂离子电池由于其出色的性能在电化学能量存储器件领域得到广泛应用，然而锂资源的有限以及高成本已不能满足日益增长的大规模储能需求。钠离子、钾离子等作为与锂离子具有相似电化学性能，并且储量更丰富，售价更低廉的原材料，有希望在未来的电化学储能应用中取代锂离子从而受到广泛的关注。然而，由于其较大的离子半径和在嵌入、脱嵌中较大的体积变化，导致电池的能量密度和循环稳定性还不能完全满足应用要求。因此，探索合适的可以解决上述问题的电极材料是新型离子电池广泛应用的前提。

软碳作为一种电池领域极具发展前景的负极材料，因其具有层间距可调、优异的结构稳定性和良好的电子导电性等特性而受到广泛的关注。与此同时，由于钠离子插层化合物的形成困难，关于软碳在钠离子电池以及钠基双离子全电池等方面的探索还远远不够，尚未充分挖掘与高容量和快速充电相关的软碳的全部潜力以及其存储机制也需要进一步研究。因此，更多关于提高软碳电极材料的电化学性能特别是倍率性能和循环稳定性的工作亟待研究。

研究表明，纳米材料(如纳米线、纳米棒、纳米颗粒、纳米片等)的比表面积较大且尺寸较小，可以缩短离子的扩散路径，提高电极材料的离子电导率，同时有效减少材料内部应力，最终防止电极材料在充放电过程中的结构崩塌。然而，由于纳米材料所形成不稳定的SEI数量较多，使电极材料的不可逆容量增加且库伦效率降低。构筑稳定的微孔纳米片结构被认为是解决这些问题的有效途径之一。与普通纳米材料相比，纳米片材料除了具有短的离子扩散路径、高的离子电导率外，更具有连续的电子传导优点，有效减少大电流密度下的极化效应，最终提高材料的电化学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种微孔超薄软碳纳米片及其制备方法，所得材料具有超大的比表面积及大量微孔结构，极大增强了材料的离子扩散性能，材料中大量的晶格缺陷提供了碱金属离子的额外存储位点，提高其容量，其作为碱金属离子电池负极活性材料时，表现出高能量密度、高倍率、循环稳定性好的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：微孔超薄软碳纳米片，其是厚度为20-30纳米，形貌大小均一的纳米片；具有褶皱结构的表面；具有大量的微孔以及位于晶格边缘的缺陷位点，以提供额外的离子存储位点。

所述的微孔超薄软碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：

1)将软碳加入表面活性剂的水溶液中，采用超声处理以均匀分散；

2)将强碱性溶液溶入步骤1)所得溶液中，水浴加热搅拌，搅拌完成后再微波处理；

3)用酸性溶液洗涤获得的固体粉末以除去强碱，继续水洗后空气气氛下烘干；

4)最后在流动惰性气氛下煅烧，得到微孔超薄软碳纳米片。

按上述方案，所述的软碳采用下述方法获得：取3，4，9，10-四羧酸酐在流动惰性气氛中以3-8℃min^-1的升温速率升温至800-1000℃保温8-12h。

按上述方案，所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。

按上述方案，步骤1)所述的软碳的质量为0.5-2g，所述的表面活性剂的质量为5-15g，水的用量为80-150ml。