[发明专利]一种钠离子电池硬碳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电池硬碳负极材料及制备方法与钠离子电池，所述钠离子电池硬碳负极材料由以下原料制备而成：聚乙烯比咯烷酮，聚氯乙烯，溶剂与交联剂。本发明的钠离子电池负极材料及其负极片为钠离子的嵌入/脱出提供了众多的超微孔及表面缺陷电位。能够有效提升极片的压实和柔韧性，同时也提高了负极片的面密度。本发明的钠离子电池负极片压实可提升到(1.2‑1.5)g/cmsupgt;3/supgt;，由此极片制成的钠离子电池具有较高的能量密度和良好的倍率性能。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，涉及钠离子电池负极，尤其涉及一种钠离子电池硬碳负极材料及制备方法与钠离子电池。

背景技术

在众多的二次电池中，锂离子电池因其高能量密度和功率密度的突出优势被认为是最有价值的储能技术.然而，由于锂元素在地壳中低丰度同时分布不均，随着锂离子电池需求的不断增长，人们担忧未来锂资源能否持续供给.相比之下，钠元素的储量丰富同时表现出与锂相似的化学性质，因此钠离子电池被视为锂离子电池的理想代替品。

目前，具有不同石墨化程度的碳材料用于钠离子电池的研究已经被广泛报道，如石墨、硬碳以及软碳，其中硬碳由于具有更大的晶面间距，是目前最有前途的钠离子电池负极材料，但硬碳负极由于自身缺陷较多，比表面积较大以及振实密度小等原因，在应用中国总是存在着克容量低、首效低、压实密度低、极片过于硬脆容易断裂、倍率性能差等问题。这导致钠离子电池负极片面密度提升困难，也直接限制了能量密度。

发明内容

为了解决以上钠离子电池硬碳负极的使用瓶颈，本发明的第一个目的在于提供一种钠离子电池硬碳负极材料及制备方法，本发明基于聚乙烯吡咯烷酮和合成树脂聚氯乙烯为前驱体合成的硬碳负极材料及制备方法，旨在解决现有钠离子电池的负极硬碳应用时存在的压实密度低、极片硬脆易断裂、首效低等问题。

本发明第二个目的是提供了上述钠离子电池硬碳负极材料制备得到的负极片与钠离子电池，本发明的钠离子电池硬碳负极材料及其负极片为钠离子的嵌入/脱出提供了众多的超微孔及表面缺陷电位。能够有效提升极片的压实和柔韧性，同时也提高了负极片的面密度。由上述钠离子电池硬碳负极材料制备的钠离子电池负极片压实可提升到(1.2-1.5)g/cm³，由此极片制成的钠离子电池具有较高的能量密度和良好的倍率性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种钠离子电池硬碳负极材料，所述钠离子电池硬碳负极材料由以下原料制备而成：聚乙烯比咯烷酮，聚氯乙烯，溶剂与交联剂，其中，聚乙烯比咯烷酮：聚氯乙烯的质量比为10:1-10，交联剂的加入量为3％-10％，固液比为1：10-80。

作为本发明的一种优选方案，所述溶剂包括异丙醇、N-N二甲基甲酰胺、乙醇、N甲基吡咯烷酮中一种或多种。

作为本发明的一种优选方案，所述交联剂包括硝酸铜、氧化铜、硫酸铜中的一种或多种。

在本发明中，钠离子电池目前常用的负极有金属钠、二氧化钛、碳基材料和磷基材料等，这些材料各有优缺点，其中碳基材料由于分布较广、获得方式简单得到广泛关注。传统的石墨材料虽然在锂离子电池上具有优秀的储锂性能，但是由于钠离子半径较大，且因为热力学原因石墨很难在钠电池中使用。硬碳由于大层间距、孔隙众多、嵌钠缺陷多被认为是最有前途的负极材料。为了提升硬碳负极的压实密度，改善极片的硬脆问题，本发明采用的制备新型硬碳及其负极片的原理在于以聚乙烯吡咯烷酮和聚氯乙烯为前驱体中碳源材料，异丙醇、N-N二甲基甲酰胺、乙醇、N甲基吡咯烷酮等中一种或多种作为溶剂，硝酸铜、氧化铜、硫酸铜中的一种或多种作为交联剂/铜源，以静电纺丝方式制备纳米纤维后使用二氧化碳球磨或者使用后微波处理造孔，然后经过短时间高温退火处理后所得的硬碳材料。

第二方面，本发明提供了上述的钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：