[发明专利]一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用

说明书

本发明提供一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用，涉及锂离子电池和钠离子电池电极材料领域。该材料颗粒大小在1‑20微米之间、纳米导电材料在球体内部均匀分布、与基体炭形成三维网络结构。将葡萄糖或蔗糖与高导电性材料混合，配制成均匀的混合溶液；然后将其喷入到高温橄榄油中，后冷却至室温，将小球从橄榄油中分离，洗涤干净；将产物放入高温炭化炉中，在氮气氛围内加热至800‑1400℃，得到最终产物。制备出的炭微球比表面积在100m²g^‑1以下，振实密度在0.7g ml^‑1以上。将该材料作为锂离子和钠离子电池负极材料时，显示出高的可逆容量和循环稳定性，尤其是很高的大倍率充放电性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料领域，特别涉及一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用。

背景技术

锂离子电池凭借其循环稳定性好、自放电小、比能量高等优点，在储能领域有着广泛的应用。随着电动汽车领域的飞速发展，人们对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。同时，锂资源储量有限、分布不均等特点也限制锂离子电池的进一步发展。钠具有与锂相似的电化学性能，而且储量丰富，因此钠离子电池有望成为锂离子电池的补充和替代。

限制锂/钠离子电池性能提升的主要因素在于电极材料，尤其是负极材料，对于锂/钠离子电池的发展至关重要。目前，广泛用于锂离子电池的负极材料主要为石墨类材料，但该类材料容量的提升受制于其372mA h/g的理论容量。研究发现，硬碳类的炭微球材料凭借其独特的形貌结构特点，表现出优异的储锂和储钠性能。首先，硬碳类材料所展现出的较大的碳层间局、丰富的微孔结构和缺陷位点，都有助于锂/钠离子的储存，从而提高材料的能量密度。另一方面，规整的球形结构使其表现出高振实密度、结构稳定以及各向同性等特点，有助于提升负极材料的体积比容量和循环稳定性。然而，硬碳材料内部间断错位的石墨微域的排布，会影响到离子和电子的传输扩散，最终影响到材料的倍率性能。对硬碳类炭微球材料进行结构改性，提升其倍率性能，成为目前锂/钠离子电池负极研究的重点。

通过添加石墨烯、碳纳米管、Mxene等高导电性材料，与硬碳类材料进行复合，是提升其倍率性能的有效手段。专利CN102544459B“氧化石墨烯包覆碳微球制备石墨烯包覆碳微球材料的方法”通过将氧化石墨烯包覆在炭微球表面，在炭微球之间构筑导电网络，从而提升材料作为锂离子电池负极的导电性能。Liyao Suo等人在《CARBON》(151,2019,1-9)上发表的题为“Hard carbon spheres interconnected by carbon nanotubes as high-performance anodes for sodium-ion batteries”的文章，通过碳纳米管将碳微球连接起来，制备出葡萄状的结构，同样是通过引入高导电性的碳纳米管，来提升炭微球之间的电子和钠离子扩散速率，进而提升钠离子电池的倍率性能。

以上报道的这些改性方法在实际应用过程中，都存在着一些问题。第一，这些复合改性方法都仅限于炭微球的表面，对于炭微球内部的电子/离子扩散过程则没有任何的改善。第二，石墨烯、碳纳米管等材料普遍具有高比表面积、低密度等特点，与炭微球复合后，会降低材料整体的密度，从而影响到材料的体积比容量。第三，添加的高导电性材料普遍具有更高的反应活性，直接暴露在电解液中时，在前几次充放电过程中会消耗掉更多的电解液，导致较高的不可逆容量和较低的库伦效率。

发明内容

为克服上述技术所存在的问题，本发明目的是提供一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球及其制备方法和储能应用，其特征在于：

本发明所得的炭微球直径在1-20微米之间，比表面积在50-100m²/g之间，振实密度在0.7-1.2g/ml之间，添加的高导电性材料均匀的嵌入并分散在球体内部，形成均匀的嵌入式导电网络，微球表面及内部均呈现褶皱结构。

所述炭微球的制备方法，其步骤为：