[发明专利]一种钠离子电池碳基负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种钠离子电池碳基负极材料及其制备方法，所述钠离子电池碳基负极材料包括硬碳基材和包覆在所述硬碳基材表面的含钠碳层，所述硬碳基材含氮掺杂。通过氮掺杂利用氮原子比碳原子电负性更强，增强碳材与钠离子的结合，有利于钠离子的嵌入，同时，氮掺杂可形成局部N型掺杂，提高碳材导电性，降低极片内阻，有利于提高碳基负极材料的循环性能；通过含钠碳层的包覆对氮掺杂硅基负极粉体进行包覆从而实现加钠处理，能够提高钠离子电池的首效性能，为钠离子电池的发展寻找到了一种合适的负极材料。

技术领域

本发明涉及钠离子负极材料领域，特别是涉及一种钠离子电池碳基负极材料及其制备方法。

背景技术

随着储能技术的快速发展，全球储能需求日益增长。锂离子电池是目前电化学储能的主要市场，先进的储能系统大多数都是采用锂离子电池技术开发的，但由于市场需求巨大锂离子电池生产规模不断扩大，而全球锂资源较少且未来逐渐面临锂资源短缺，导致锂离子电池成本不断增加。学术界及产业界急需寻找一种可持续发展的储量丰富的替代材料及技术来满足全球日益增长的储能需求。钠离子电池技术是一种有望替代锂离子电池技术的替代策略，因为海洋及盐湖中含有巨大的易开发钠资源储备量，且钠与锂属于同一主族，化学性质相近且电池工作原理基本相同；此外，钠离子电池负极可适用低成本的铝箔替代高成本的铜箔（单体电池成本可下降12%），随着钠离子电池技术的逐渐成熟，具有巨大的成本优势；同时，还具有高安全性高循环寿命等优势。但由于钠离子半径（0.106nm）比锂离子半径（0.076nm）大30%左右，也更重，因此传统的锂离子负极材料（石墨类负极材料）因较小的晶格间距并不适用于钠离子脱嵌，此外，钠离子电负性比锂离子电负性高0.3V vs.（Li/Li+），导致同类电极材料的钠离子电池相对锂离子电池电压低、比容量低、能量密度低，且在有效电压窗口脱嵌困难，而钠离子的填充度是影响钠离子电池首效的主要原因，因此，钠离子电池的发展急需寻找一种适合的负极材料。

发明内容

一方面，提供一种钠离子电池碳基负极材料的制备方法，其制备步骤如下：

（1）获取硬碳基材。

硬碳材料相较传统的石墨类负极材料相比，具有较大的层间距、丰富的无序结构，大的比表面积，具有良好的钠离子嵌入和扩散性能、丰富的储钠活性位点，储钠的比容量高。

在本专利中，对硬碳的取得方式不做限制，可通过沥青、有机高分子聚合物、生物质进行制备。优选的， 选用植物材料进行制备，所述植物材料包括干果壳、植物纤维、木质新材等，将其在氮气氛围条件下，600-1000℃碳化处理后使用破壁机将其破碎，并使用100目筛网过筛，获得粉体形状的硬碳基材。与其他制备方式相比，使用植物碳源作为原材料，具有较高的成本优势。

（2）将获得的硬碳基材进行酸化处理剔除杂质，并使得所述硬碳基材获得含氧官能团。

按体积比硝酸:盐酸:去离子水=1:(1-5):(5-10)配置酸洗溶液，将所述硬碳基材浸没在所述酸洗溶液中，在40-80℃条件下磁力搅拌5-10h，然后使用去离子水洗涤至溶液呈中性。通过酸洗处理，可以剔除碳材中的杂质，特别是金属杂质的剔除可以避免后续充放电时杂质金属离子化析出导致的自放电损耗，同时，还能实现碳材表面酸化，并获得含氧官能团（如羧基官能团），有助于分散，同时，富含羧基官能团的碳材在去离子水溶液中可被电离呈负电性，更易在后续处理中与Na⁺结合形成酸根钠盐，有利于在后续工艺中进行表面均匀加钠处理；酸洗处理温度为40-80℃，温度较低时碳材颗粒酸洗程度不够，温度过高时碳材表面被强烈氧化，过度氧化官能团残留并带入过多缺陷将会导致电性能恶化。

（3）将酸化处理后的硬碳基材进行碱性活化处理，在所述硬碳基材上蚀刻制造和疏通微纳孔隙。