[发明专利]一种自支撑三维多孔碳负极材料的制备方法

说明书

一种自支撑三维多孔碳负极材料的制备方法，将蔗糖溶解于丙酮‑去离子水混合溶剂中得到前驱体溶液；将泡沫镍自支撑体和前驱体混合后进行水热反应后，自然冷却至室温，对产物进行洗涤、干燥；将上述产物置于惰性气氛下热处理，得到最终产物。本发明以金属泡沫镍作为自支撑体，在其表面原位生长三维多孔碳材料。后续热处理过程中，金属镍的催化石墨化作用，使得与金属镍相连部分能够部分石墨化，提高电子传导率。同时三维多孔使其具有较大的比表面积，可与电极材料充分接触，为钠离子提供较多的附着位点，使其具有较高的容量。该方法所用原料成分稳定，来源广泛，工艺操作简单，所制备的电极无需后续涂膜工艺，降低容量损失，利与工业化生产。

技术领域

本发明属于自支撑电极制备技术领域，具体涉及一种钠离子电池用自支撑三维多孔碳负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池在能量密度、倍率性能以及循环稳定性等方面表现出卓越的性能，被公认为是最优异的储能电池系统。锂离子电池不仅可用于便携式电子设备，而且在大规模固定电能存储等领域都有应用，已迅速渗透到日常生活中。但是，由于地球上锂的储量有限，不足以满足未来锂离子电池市场的巨大需求，研究开发其他廉价的储能电池系统显得非常关键。钠资源丰富，成本低廉，具有与锂相似的物理化学性质，且钠离子电池与锂离子电池的充放电机理类似。虽然钠离子电池的能量密度低于相应的锂离子电池，但动力和储能电池对比能量的要求不苛刻，使得钠离子电池(SIBs)可替代锂离子电池成为新一代综合效能优异的储能电池体系。

基于锂离子电池技术的成功经验，用于钠离子电池的高性能正负极材料的研究开发已取得了突破性进展。目前，大量研究主要集中在钠离子电池正极材料上，而负极材料的选择更受限制。碳基负极材料具有原料丰富、成本低廉、合成简单和工作电位低等特点，非常适合用于构建性能优异的钠离子电池。已经研究了各种碳材料，包括石墨，膨胀石墨，无定形碳，和石墨烯。在所有的碳负极候选者中，由于高电化学活性和相对低的成本，硬碳引起了很多关注。硬碳含有大量的无序结构，有缺陷和空隙，这有助于高可逆容量。但是不同的形貌结构对初始不可逆容量损失有较大的影响。Wenzel等人(Wenzel S,Hara T,JanekJ,et al.Room-temperature sodium-ion batteries:Improving the rate capabilityof carbon anode materials by templating strategies[J].Energy&EnvironmentalScience,2011,4(9):3342-3345.)已经证明，通过引入分级多孔结构可以获得高负载量的碳负极材料。目前已经研究了空心碳纳米球(Tang K,Fu L,White R J,et al.HollowCarbon Nanospheres with Superior Rate Capability for Sodium-Based Batteries[J].Advanced Energy Materials,2012,2(7):873-877.)，块状碳(Zhou X,Guo YG.Highly Disordered Carbon as a Superior Anode Material for Room-TemperatureSodium-Ion Batteries[J].Chemelectrochem,2014,1(1):83–86.)和多孔碳(陈立,李晓鹏,陈宇驰,等.废弃生物质水葫芦多孔碳用于锂离子和钠离子电池负极的研究[J].化学研究与应用,2017,29(10):1525-1529.)等不同形貌的碳材料。

现阶段，大多数的研究院所和工厂均经涂布法来制备电极，需综合考虑涂布的层数、湿涂层的厚度、涂布液的流变特性、要求的涂布精度、涂布支持体材料及涂布速度等，工艺复杂、技术难度及成本较高[赵伯元.锂离子电池极片涂布技术和设备研究[J].电池,2000,30(2):56-58.]。粘接剂和导电剂的加入会直接降低电池容量，且涂布的质量取决于操作者的涂布技术，难以工业化生产。自支撑电极在实现复合材料协同效应的同时免去了涂布过程，有很大的应用潜力。因此设计自支撑三维多孔碳负极材料是通过优化Na⁺的传输路径来提高碳基材料储存容量和降低电池容量损失的有效策略。