[发明专利]一种具有贯通介孔的中空碳球的制备方法及其复合钠金属负极

说明书

一种具有贯通介孔的中空碳球的制备方法及其复合钠金属负极，以原硅酸四丙酯、氨水、乙醇、去离子水、甲醛、间苯二酚为原料，经过硅源分解、酚醛树脂聚合、碳化和刻蚀等步骤，所得的中空碳球具有较大的空腔，且碳壳具有显著的贯通介孔结构。本发明提供的具有贯通介孔结构的中空碳球用于钠金属电池负极材料时，能高效地实现对钠金属的纳米封装，从而抑制钠枝晶产生、限制钠金属沉积/剥离过程中体积变化以及稳定界面膜，可作为钠金属负极的理想碳基集流体材料，进而用于构建安全、高库伦效率和长寿命的钠金属电池。

技术领域

本发明涉及钠金属电池电极材料技术领域，尤其涉及一种具有贯通介孔的中空碳球的制备方法及其复合钠金属负极。

背景技术

为了应对气候变化，减少碳排放，可充电电池作为储能的关键技术，发挥着关键作用。锂电池经过30多年的发展，已经成为我们社会的必需品。但在自然界中，锂资源储量严重不足(地壳中仅为0.0017wt％)，且存储地区分布明显不均，严重限制了锂电池进一步发展，造成其不太能满足社会急剧增加的能源需求。因此，开发新的电池体系势在必行。在众多新电池体系中，由于钠的存储量非常丰富(地壳中含量多达2.3wt％)，且价格低廉，我国储量丰富，因此钠电池得到了广泛的研究，目前已经实现了初步的商业化。

其中，钠金属电池蕴藏着巨大的潜力，因为钠金属负极具有较高的理论比容量(1166mAh·g^-1)和很低的标准电位(-2.714V vs标准氢电极)等优点。并且，钠金属负极可构建多种新型高比能电池体系，如Na-S，Na-O₂等。但是，当将纯钠金属作为负极材料时，存在三个主要问题：(1)不均匀的沉积会导致钠枝晶的恶性生长，这些枝晶在充放电过程中会刺穿电池隔膜，造成短路，引起着火、爆炸等安全问题；(2)钠金属在沉积/剥离过程中会引发很大的体积膨胀，进而破坏电池结构，造成电池失效；(3)钠金属电极与电解质界面膜的不稳定，会导致大量的副反应，加之枝晶再循环过程中可能会断裂形成“死钠”，都会导致活性材料的快速损耗，造成电池容量的严重衰减。这些是限制钠金属电池商业化的关键问题，亟需解决。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种具有贯通介孔的中空碳球的制备方法及其复合钠金属负极，所述中空碳球具有封闭的中空内腔和贯通介孔的碳壳，将其作为钠金属负极集流体，可实现高效的钠金属封装，有效抑制钠枝晶生长，缓解体积变化，减少副反应，从而提高钠金属电池的负极容量、库伦效率和循环性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有贯通介孔的中空碳球，所述中空碳球包括碳壳以及中空内腔，所述碳壳分布有贯通的介孔结构，所述中空内腔的直径为180～260nm，所述介孔结构的孔径为6～10nm。

所述中空碳球的比表面积为1200～1500m²/g；所述碳壳的厚度为25～35nm。

所述碳壳的氮原子与氧原子总掺杂量为8wt％～15wt％。

所述的一种具有贯通介孔的中空碳球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将原硅酸四丙酯、氨水、乙醇、去离子水混合，加热搅拌；

2)在步骤1)的溶液中，加入间苯二酚和甲醛，进行酚醛树脂的聚合反应，得到表面包覆有酚醛树脂的二氧化硅球；

3)将步骤2)得到的碳球前驱体，进行高温煅烧碳化，之后将产物进行氢氟酸刻蚀以去除二氧化硅模板，最终得到具有贯通介孔结构的中空碳球。

步骤1)中，加热的温度为25～35℃。

步骤1)中，加热搅拌的时间为5～30min，调控上述时间可得到不同尺寸的二氧化硅球，进而调控最终碳球的中空内腔尺寸。

步骤1)中，原硅酸四丙酯、氨水、乙醇和去离子水的体积比为(1～6):(1～3):(18～25):(2～4)。