[发明专利]一种通过异质原子掺杂制备无定形碳的方法及应用

说明书

本发明涉及无定形碳材料制备技术领域和电池的技术领域，具体涉及一种通过异质原子掺杂制备无定形碳的方法及应用，以碳源为主要原料，加入一定量异质元素，经球磨制得无定形碳，所述异质元素为非碳单质或化合物的固体。本发明通过球磨法对碳源进行异质原子掺杂，使被掺杂处周围的碳原子的电子能带结构发生变化，进而使碳的石墨化结构在高能球磨过程中更容易被破坏，形成纳米级颗粒尺寸的无定形碳，工艺简单，成本低，无高温处理过程，大大减少了能源消耗和环境污染，有利于其工业化推广和应用。当用于钠离子二次电池时能进一步增强碳类负极的储钠性能，所制钠离子二次电池具有较高的质量比容量、稳定的循环性能、优异的倍率性能和良好的安全性能。

技术领域

本发明涉及无定形碳材料制备技术领域和电池的技术领域，具体涉及一种通过异质原子掺杂制备无定形碳的方法及应用。

背景技术

化石能源不仅产生严重的污染，而且资源有限。太阳能、风能等可再生能源越来越受到人们的重视，但是这些可再生能源的间歇性和不稳定性使其不能持续稳定的供电，因此储能系统的发展对于可再生能源的利用至关重要。近年来，随着锂离子电池的大量应用，如电动汽车和智能电网储能技术等，使金属锂成为地球上的稀缺资源。钠和锂在化学周期表中属于不同周期的ⅠA族，因此它们在化学和物理领域中表现出相似的性质。许多应用于锂离子电池的电极材料，特别是阳极材料，也可以实现钠离子的可逆脱嵌，并且在钠离子电池中表现出良好的电化学性能。与锂离子电池相比，钠离子电池由于钠的储量丰富、分布广泛、具有潜在的低成本优势。而且钠离子在二次电池中不会与铝反应生成合金，因此，可用成本更低的铝箔替代铜箔作为负极的集流体，进一步降低电池的成本。

高性能、低成本负极材料的开发与应用是钠离子电池走向商业化的重要一步。近几年，科研人员成功开发出许多钠离子电池负极材料，如碳质材料、磷烯、金属合金、氧化物和硫系化合物。其中，可应用于钠离子电池中的碳质材料主要为石墨化程度较低的无定形碳，包括硬碳和软碳。一般地，软碳是指在2500℃以上的高温下能石墨化的无定形碳；硬碳是高分子聚合物的热解碳，并且在2500℃以上的高温也难以石墨化。硬碳及改性后的硬碳等负极材料具有较高的钠储存容量(300mAh g^-1)和较低的工作电位(在钠离子半电池中低于0.2V)，大大提高了钠离子电池的能量密度。由于硬碳的制备通常在1500℃以上进行，会在其中产生许多缺陷结构，影响钠离子的传输，还容易发生结构破坏，使得硬碳的倍率性能和循环稳定性较差。此外，长时间的超高温煅烧过程会消耗大量的能源，同时也对环境造成一定的污染。软碳类负极材料通常表现出优异的倍率性能，合成条件相对于硬碳来说成本更低，但是软碳的容量较低(300mAh g^-1)，工作电压较高，不利于高能量密度钠离子电池的开发与应用。

石墨作为常见的锂离子电池负极材料，具有价格便宜、绿色环保、性能优良等特点。但由于钠-石墨插层化合物的不稳定性，使得石墨在钠离子电池中的表现近似于没有活性(比容量小于50mAh g^-1)。如果能通过简单的手段将石墨的石墨结构破坏，使石墨趋向于无定形碳，就能使原本没有储钠活性的石墨有望在钠离子电池中得到推广与应用。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种通过异质原子掺杂制备无定形碳的方法，制备方法简单，成本较低。

本发明的目的之二在于提供一种通过异质原子掺杂制备无定形碳的应用，作为钠离子二次电池的负极材料。

本发明的目的之三在于提供一种钠离子二次电池负极极片。

本发明的目的之四在于提供一种钠离子二次电池，具有较高的质量比容量、稳定的循环性能、优异的倍率性能和良好的安全性能。

本发明实现目的之一所采用的方案是：一种通过异质原子掺杂制备无定形碳的方法，以碳源为主要原料，加入一定量异质元素，经球磨制得无定形碳，所述异质元素为非碳单质或化合物的固体。