[发明专利]一种钠离子负极材料及制备方法与钠离子电池

说明书

本发明公开了一种钠离子负极材料及制备方法与钠离子电池，钠离子负极材料是由氮掺杂的碳层和磷化物层组成的纤维材料；纤维的内部或表面具有多孔结构；碳层包覆于磷化物层的外部或镶嵌于磷化物层的内部。本发明通过静电纺丝制备纤维结构，在制备过程中利用聚甲基丙烯酸甲酯低熔点，在对纺丝热处理的过程，聚甲基丙烯酸甲酯气化在纤维表面及内部产生孔结构，再通过热处理碳化使得碳层能够更好的包覆在材料内外层，提高复合材料的导电性。本发明制备得到的钠离子电池中，钠离子在其中的扩散能力提高3～5倍，电池的循环稳定性提高1倍，比容量提高50～100%，倍率性能提高100～300%。

技术领域

本发明属于钠离子电池负极活性材料及制备，尤其涉及多孔氮掺杂复合纤维钠离子负极材料和含有该负极材料的钠离子二次电池。

背景技术

钠离子电池因其卓越的低廉的制造成本和高的安全性和理论容量，因而近年来受到广泛关注。但是，目前钠离子电池的能量密度远远小于理论值，其中最大的挑战就是高比容量的电极材料，以及钠离子在电极活性材料的缓慢的转移动力学，因而导致低的电化学性能及过低的材料利用率。更重要的是，由于循环过程中电极活性材料储钠脱钠过程会产生巨大的体积膨胀与收缩，导致电极材料的破裂及脱落，引起电池容量的快速衰减。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的在于提供一种具有多孔结构氮掺杂的复合纤维钠离子负极材料；本发明的第二目的在于提供一种利用静电纺丝制备多孔氮掺杂纤维状钠离子负极材料的方法；本发明的第三目的在于提供含有上述负极材料的钠离子电池。

技术方案：本发明的一种钠离子负极材料，所述负极材料是由氮掺杂的碳层和磷化物层组成的纤维材料；纤维的内部或表面具有多孔结构；所述碳层包覆于磷化物层的外部或镶嵌于磷化物层的内部。

进一步的，所述多孔结构的孔径为15~20 nm。

进一步的，所述磷化物层中的磷化物为FeP₄、AlP、SbP、CuP₂中的任一种。

本发明还保护所述的钠离子负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将尿素加入溶剂中搅拌溶解，再加入聚甲基丙烯酸甲酯，持续搅拌直至得到透明溶液；

（2）将三苯基膦、金属盐溶解于溶剂中，充分溶解后再加入纺丝原液，持续搅拌至溶液透明；

（3）将步骤（1）、（2）中的溶液混合，加热得到纺丝溶液；

（4）对纺丝溶液进行静电纺丝，纺丝后对所得到材料进行热处理，制备得到具有多孔结构的钠离子负极材料。

进一步的，所述步骤（1）中，每10mL的溶剂中添加0.2～2g的尿素和0.1～2g的聚甲基丙烯酸甲酯。

进一步的，所述步骤（2）中，三苯基膦与金属盐的摩尔比为1：1~1.5；其中，所述的金属盐为Fe、Al、Sb、Cu中任一种的盐酸盐或硝酸盐。

进一步的，所述步骤（2）中，每10mL的溶剂中添加0.5~1.5 g的纺丝原液；其中，所述纺丝原液为聚乙烯吡咯烷酮或聚丙烯腈。

进一步的，所述步骤（4）中，纺丝的温度为30℃~50℃，湿度为15%~40%，正电压为15~30 kV，负电压为-3~-1 kV。

进一步的，所述步骤（4）中，热处理具体是指：在通有氩氢混合气体的管式炉中，先在100~300℃温度下加热1~2 h，然后控制升温速率为3~5℃/min，再在 500~1000℃温度下静止2~5 h。

进一步的，溶剂为乙醇、N-N-二甲基甲酰胺中的任一种。

静电纺丝过程中，纺丝针头包括单芯针头、内外芯针头中任一种；内、外芯的推注速度范围为0.01mm/min~0.1mm/min，外芯的推注速度是内芯推注速度的2~3倍。