[发明专利]一种氮磷共掺杂钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及钠离子电池技术领域，公开了一种氮磷共掺杂钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法，制备方法包括如下步骤：S1 取前驱体材料，加入乙二胺四乙酸、含磷酸和Fe‑MOF复合材料，混匀，加热反应，粉碎、过筛，得到交联前驱体混合物；S2 将步骤S1中制备得到的交联前驱体混合物置于保护气氛中，加热，进行预碳化处理；S3 再次加热升温，进行碳化处理，得到硬碳负极材料。本发明的硬碳负极材料，通过化学键入的方式掺杂氮磷等杂原子，使杂原子以更高的掺杂量和更均匀的掺杂效果与碳材料结合，且通过分子之间的交联结合，得到具有立体网状结构的交联前驱体；再经过二次碳化，得到具有高首周库伦效率和高容量的硬碳负极材料。

技术领域

本发明涉及钠离子电池技术领域，具体而言，涉及一种氮磷共掺杂钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法。

背景技术

随着电化学储能技术的发展，充电电池成为了克服可再生能源在时间和空间上分布不均匀的问题的重要技术手段之一。目前，锂离子电池是发展最成熟、使用最广泛的充电电池，其具有高能量密度和良好的电化学循环性能，广泛应用于手机、笔记本电脑等领域。然而，锂元素在地壳中的含量交底和分布不均严重阻碍了其在大规模储能中的应用，因此，对充电电池的研究和发展开始转向储量丰富、成本低廉的钠离子电池。

钠离子电池中，负极材料通常采用碳基负极材料、钛基负极材料、转化反应型负极材料以及金属间化合物负极材料等。碳基负极材料来源广泛、价格低廉、易于制备，在循环过程中材料结构稳定、电化学循环稳定性好，成为钠离子电池负极材料的首选，但目前碳负极材料仍存在着储钠比容量较低、倍率性能较差的问题。

解决碳负极材料储钠比容量较低、倍率性能较差的问题，可以通过杂原子掺杂的方式实现。如公开号为CN115159497A的专利，就提供了一种钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法与应用，将酚醛树脂与磷酸铵粉末混合碳化，以得到氮磷掺杂的硬碳负极材料。然而，上述方案及现有的常用氮磷掺杂技术手段中，均是直接将氮源和磷源混入碳材料中，通过物理混合的方式进行掺杂，存在掺杂不均匀、掺杂量低以及产品性能不稳定的问题；此外，采用上述方式引入氮磷等杂原子会使碳材料产生大量的开孔结构和缺陷，对硬碳负极材料的电化学性能产生不利影响。

基于此，现急需一种杂原子掺杂更均匀、掺杂量更高的杂原子共掺杂硬碳负极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：

目前，在钠离子电池硬碳负极材料的生产制备中，通过杂原子掺杂来解决碳负极材料储钠比容量较低、倍率性能较差的问题时，杂原子掺杂的方式多为物理结合，使得杂原子的掺杂效果差、掺杂量低，且通过机械混合的方式引入杂原子，会使碳材料产生大量的开孔结构和缺陷，对硬碳负极材料的电化学性能产生不利影响。

本发明采用的技术方案：

本发明提供了一种氮磷共掺杂钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1 取前驱体材料，加入乙二胺四乙酸、含磷酸和Fe-MOF复合材料，混匀，加热反应，粉碎、过筛，得到交联前驱体混合物；

S2 将步骤S1中制备得到的交联前驱体混合物置于保护气氛中，加热，进行预碳化处理；

S3 再次加热升温，进行碳化处理，得到硬碳负极材料。

优选地，所述前驱体材料选自甲阶酚醛树脂、淀粉、木质素或纤维素中的一种或多种。

优选地，前驱体材料、乙二胺四乙酸、含磷酸和Fe-MOF复合材料的质量比为100:5-20:5-20：10-35。

优选地，步骤S1中，加热反应的温度为150-200℃，反应时间为2-5h。

优选地，步骤S2中，预碳化处理的温度为400-600℃，预碳化时间为2-5h，预碳化升温速率为0.1-8℃/min。