[发明专利]一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法

说明书

一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，将蔗糖和氢氧化钾混合研磨后溶于乙二醇‑水混合溶剂中得溶液A；将溶液A冷冻干燥后置于管式气氛炉中进行一步热解和碳化得碳化产物；将碳化产物进行抽滤洗涤至中性，干燥研磨后即得到钠离子电池多孔碳负极材料。本发明工艺流程简单，反应温度低、时间短，无需后续处理，对环境友好；且所制备的产物形貌分布均匀，具有多孔结构，有利于电解液和电极材料的充分接触和电解液的完全渗透，可以显著改善材料的电化学性能，并且具有成本低、可大规模生产的优点。

技术领域

本发明属于钠离子电池碳负极材料制备技术领域，具体涉及一种基基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法。

技术背景

钠离子电池(SIBs)被认为是大型固定储能最有希望的二次电池，因为钠源的取之不尽，用之不竭，成本低，环境友好。尽管如此发展SIBs仍然处于起步阶段，大部分研究都集中在目前电极材料的选择上。近年来，已经广泛研究了诸如层状氧化物和磷酸盐的正极材料，并且通过优化形态和结构，它们中的一些显示出相当大的比容量，倍率性能和循环稳定性。特别是Na₃V₂(PO₄)₃，显示出优异的综合性能，被认为是潜在的商业正极材料。相比之下，负极材料的研究缓慢且不充分，这已经成为SIBs进步的瓶颈。众所周知，用于SIBs的所需负极材料应具有以下特征：高钠离子存储容量，钠插入和提取期间良好的结构稳定性，良好的电子传导性，资源丰度等。迄今为止，许多材料，如合金，磷，有机化合物，钛基氧化物和无定形碳[S.Komaba,W.Murata,T.Ishikawa,N.Yabuuchi,T.Ozeki,T.Nakayama,et al.,Electrochemical Na insertion and solid electrolyte interphase for hard-carbonelectrodes and application to Na-ion batteries,Adv.Funct.Mater.21(20)(2011)3859–3867.]，作为负极进行了研究，对SIBs进行了研究。合金显示出较大的可逆容量，而在Sodiation期间Sn(～520％)和Sb(～390％)的大体积膨胀限制了它们的循环稳定性。磷和有机化合物也可以提供高可逆容量，但由于其低电子导电性，它们的倍率性能不能令人满意。Ti基氧化物通常表现出有限的钠储存能力。相比之下，无定形碳是最有希望的。Stevens和Dahn[D.Stevens,J.Dahn,High capacity anode materials for rechargeablesodium-ion batteries,J.Electrochem.Soc.147(4)(2000)1271–1273.]证明硬碳的可逆容量可达到300mAh g^-1。碳的高电子导电性和良好的结构稳定性使其更容易被开发为具有高倍率容量和循环稳定性的负极材料。此外，碳资源丰富，成本低，增加了它作为SIB阳极材料的吸引力。然而，钠的固态扩散系数在碳中非常低，这导致不良的倍率性能。Adelhelm[S.Wenzel,T.Hara,J.Janek,P.Adelhelm,Room-temperature sodium-ion batteries:improving the rate capability of carbon anode materials by templatingstrategies,Energy Environ.Sci.4(9)(2011)3342–3345.]已经证明，减少钠离子的运输长度是提高倍率的有效方法。此后，空心碳纳米球和碳纳米纤维被认为是SIB的阳极材料。由于其特殊的结构，它们的两种速率性能都有很大的提高。然而，这些材料的长循环稳定性(>500)尚未实现报道。众所周知，多孔结构也是缩短钠离子传输长度的有效方法。此外，多孔结构已被证明是缓冲锂离子电池中离子插入和提取过程中体积变化的有效方法[F.Wang,R.Song,H.Song,X.Chen,J.Zhou,Z.Ma,et al.,Simple synthesis of novelhierarchical porous carbon microspheres and their application to rechargeablelithium-ion batteries,Carbon 81(2015)314–321.]。所以，研究多孔结构对SIBs碳阳极材料的影响是有意义的。