[发明专利]一种铜钽共掺杂硬碳复合材料，及其制备方法和应用

说明书

本发明实施例公开了铜钽共掺杂硬碳复合材料，本发明通过硬碳前驱体的有机溶液、乙酸锶、钽源、氧化石墨烯的有机溶液和磷源，进行水热反应完成钽掺杂，再与铜粉、沥青混合，惰性气氛下升温碳化处理，得到所述铜钽共掺杂硬碳复合材料。本发明的方法制备的铜钽共掺杂硬碳复合材料可作为锂离子、钠离子电池的负极材料。本发明的水热过程中，各原料与有机基团之间发生反应，形成网络结构，使钽更容易进入到孔隙中；锶、钽、磷、铜在硬碳中分布均匀，复合材料结构稳定，铜的掺杂使材料具有更高的首次效率和存储性能，沥青的加入得到无定形碳，使复合材料的组分更丰富，处理过程使掺杂更均匀。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种铜钽共掺杂硬碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

钠元素的储量是极为丰富的(地壳中金属元素排名第四，占总储量的2.64％)，而且价格低廉，与锂元素处于同一主族，化学性质相似，电极电势也比较接近。因此，用钠取代锂得到的性能优良的钠离子电池将能解决锂电大规模储电应用的问题。为此，探寻高容量及优异循环性能的钠电极材料成为目前电池研究领域新的热点。

现有钠离子电池一般使用硬碳作为负极材料，硬碳是指难石墨化的碳，相对于传统石墨由于具有高度无序的结构和大的层间距以及较多的缺陷，使得硬碳比较适合于用作钠离子电池的负极材料。但是，硬碳材料低的石墨化程度导致其倍率性能欠佳。

公开号为CN114373929A的文件公开了一种高功率特性钠离子电池，其通过采用多孔碳前驱体，并选择合理的还原性气源，通过调控碳缺陷浓度，并通过缩小孔口尺寸，可以在提高现有硬碳负极材料的储钠容量的同时，优化倍率性能和循环稳定性。

但是，硬碳较多的孔隙结构，会造成其电子阻抗率较大，影响其倍率性能，且较多的孔隙在高温条件下副反应较多，还会降低其存储性能。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种铜钽共掺杂硬碳复合材料，不仅循环稳定性好，其在倍率性能、首次效率、功率、电子导电率方面都具有优良的性能，并且其制备方法具有操作简单、稳定、易于控制的优点，具有良好的应用前景。

为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面的技术目的是提供一种铜钽共掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

钽掺杂硬碳：向硬碳前驱体的有机溶液中加入乙酸锶、钽源、氧化石墨烯的有机溶液和磷源，进行水热反应，经过滤、干燥，得到钽掺杂硬碳前驱体；

铜掺杂：钽掺杂硬碳前驱体与铜粉、沥青混合，惰性气氛下升温碳化处理，得到所述铜钽共掺杂硬碳复合材料。

在上述制备方法中，所述水热反应的反应温度为150-200℃，反应时间为1-3h。

在上述制备方法中，所述的硬碳前驱体选自淀粉、椰壳和木质素中的至少一种；所述木质素的粒径为1-5μm，比表面积为1-10m²/g，纯度≥98％。

在上述制备方法中，硬碳前驱体的有机溶液中硬碳前驱体的浓度为1-10wt％，溶剂选自乙二醇、丁二醇、丙三醇、异丁醇和苯甲醇中的至少一种。

在上述制备方法中，钽掺杂硬碳过程中，所述硬碳前驱体、乙酸锶、钽源、磷源和氧化石墨烯的质量比为100:5-20:1-5:1-5:1-5。

在上述制备方法中，所述钽源选自五氯化钽、硫化钽和硝酸钽中的至少一种。

在上述制备方法中，所述磷源选自磷酸铵、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵中的至少一种。

在上述制备方法中，所述氧化石墨烯的有机溶液中氧化石墨烯的浓度为1-5wt％，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

在上述制备方法中，所述铜粉的粒径为500-1000nm。