[发明专利]一种非金属掺杂硬碳负极材料及其制备方法

说明书

本申请公开了一种非金属掺杂硬碳负极材料及其制备方法，属于钠离子电池领域。负极材料包括碳外壳、非金属元素和硬碳，所述非金属元素掺杂在硬碳中，所述碳外壳包覆在非金属元素和硬碳外侧；所述负极材料的孔隙率为20‑30％，孔径为30‑150nm，其中小于50nm的孔占比为10％以下，大于100nm的孔占比为60％以上。非金属元素掺杂在硬碳中，能够降低硬碳的层间距，使得负极材料中的微孔数量减少且尺寸变大，从而提高硬碳材料储钠能力，提高电池的可逆容量和首效，减少电池中的副反应，进而提高电池的使用寿命。

技术领域

本申请涉及一种非金属掺杂硬碳负极材料及其制备方法，属于钠离子电池领域。

背景技术

近年来，中国新能源汽车产销量持续增长，稳居世界首位。但传统铅酸电池、镍镉电池能效较低且污染严重，锂离子电池成本高且安全性有待提升，随着新能源汽车市场需求量激增，难以满足市场需求。由于钠离子电池具有高安全、低成本、环境友好等优点，深受研究学者们的青睐，促进了钠离子电池在动力电池方面的应用。

硬碳材料是难石墨化无定型碳材料，结构短程有序而长程无序，可以将其描述为无数微小的类石墨纳米筹无序堆叠形成的无定型碳，其中充满了缺陷和空隙。硬碳材料因其独特的无序结构具有良好的物理化学稳定性，而碳基材料本身具有良好的导电性，再加上硬碳材料可以通过高分子材料和生物质材料热解得到，易于进行结构设计，故硬碳材料是良好的负极材料基体。将硬碳负极材料作为电池负极材料使用时，电池往往存在可逆容量低、首次库伦效率低、放电电压不足和固体电解质膜(SEI)不稳定等问题，这些问题限制了硬碳材料的使用。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种非金属掺杂硬碳负极材料及其制备方法。该负极材料包括碳外壳、非金属元素和硬碳，非金属元素掺杂在硬碳中，能够降低硬碳的层间距，使得负极材料中的微孔数量减少且尺寸变大，从而提高硬碳材料储钠能力，提高电池的可逆容量和首效，减少电池中的副反应，进而提高电池的使用寿命。

根据本申请的一个方面，提供了一种非金属掺杂硬碳负极材料，其特征在于，所述负极材料包括碳外壳、非金属元素和硬碳，所述非金属元素掺杂在硬碳中，所述碳外壳包覆在非金属元素和硬碳外侧；

所述负极材料的孔隙率为20-30％，孔径为30-150nm，其中小于50nm的孔占比为10％以下，大于100nm的孔占比为60％以上。

非金属元素和硬碳材料进行掺杂，非金属材料能够降低硬碳材料的层间距，吸附在硬碳材料中能够增加硬碳材料的孔径，该孔径的增大能够允许更多的钠离子的嵌入硬碳中，从而改善电池的储钠能力，并且能够增加负极材料与电池中电解液的接触面积，减少钠离子在充放电过程中扩散不均匀的现象，降低电池中的应力，减少副反应，提高电池的循环寿命。

碳外壳包覆在非金属元素和硬碳的外侧，能够维持非金属元素和硬碳材料的稳定，充分发挥非金属元素和硬碳材料的协同作用，并且能够提高钠离子电池的电子电导率，可以维持硬碳材料的大尺寸孔径，有利于半径较大的钠离子的传输与附着，提高硬碳的首次充放电效率，从而改善钠离子电池的循环倍率，延长电池的循环寿命。

该负极材料的孔隙率和孔径能够增加负极材料的比表面积，利于电解液渗入到负极材料中，提高充放电过程中钠离子电池的迁移速率，避免出现死钠，从而提高钠离子电池的首效和循环寿命。小于50nm的孔占比在10％以下，该少部分的小孔有利于维持硬碳材料的结构，避免硬碳材料发生坍塌，大于100nm的孔占比为60％以上，大于100nm的孔既能够有利于钠离子的嵌入与脱嵌，提高电池的比容量和循环倍率，又有利于提高钠离子电池在充放电过程中的迁移速率，提高电池的充放电效率。优选的，所述负极材料的孔隙率为25-30％，孔径为40nm-150nm，大于100nm的孔占比为70％以上。孔径在50-150nm，若孔径过小，将阻碍充放电过程中钠离子的嵌入与脱嵌，若孔径过大，则在嵌钠过程中会造成电池体积膨胀严重，使得样片间的空间变少，导致电池的容量无法正常发挥。