[发明专利]预钠化硬碳负极材料及其在钠离子二次电池上的应用

说明书

本发明涉及一种预钠化硬碳负极材料及其在钠离子二次电池上的应用。本发明所述预钠化硬碳负极材料为核壳结构，以软碳微粉为内核，包覆在所述软碳微粉表面的预钠化碳层、碳沉积层为壳；所述碳沉积层包覆在所述预钠化碳层表面；所述预钠化碳层包含聚合物碳化层、碳化的纳米微晶纤维素以及钠；所述聚合物碳化层包裹有碳化的纳米微晶纤维素以及钠。本发明中硬碳负极材料表现出较高初始库仑效率和高的可逆容量。

技术领域

本发明涉及二次电池技术领域，尤其是指一种预钠化硬碳负极材料及其在钠离子二次电池上的应用。

背景技术

在汽车工业中，钠离子电池（SIBs）是作为锂离子电池（LIBs）的一种很有前途的替代品，考虑到其低成本和丰富的钠资源。因此，开发高性能电极材料对实际应用具有重要意义。随着对机理的深入研究和高性能负极材料的开发，SIBs的电化学性能得到了很大的提高。然而，目前最重要的挑战之一是设计低成本和高性能的负极材料。碳质材料因其结构和来源的多样性以及广泛的可用性和低成本，被认为是最有希望用于商业钠离子电池负极材料。其中，石墨是锂离子电池（LIBs）的商业负极材料，但不适用于SIBs，因为Na⁺不能嵌入石墨主体中，并且形成的Na-C二元化合物不稳定。

相比之下，硬碳（HC）是一种可行的嵌入SIBs负极材料。它具有丰富的微晶结构、低嵌入的电位（~0.1V），不仅有利于吸收更多的Na⁺，而且有利于Na⁺的嵌入和脱嵌。然而，大多数硬碳材料表现出SIBs的较低的库仑效率（ICE）、低的初始可逆容量，对于负极材料来说，低的库仑效率（ICE）、低的初始可逆容量（库伦效率）十分影响电池能量密度的参数，显著减缓了HC应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种预钠化硬碳负极材料及其在钠离子二次电池上的应用。

本发明通过以下方法实现：

本发明的第一个目的在于提供一种预钠化硬碳负极材料，所述预钠化硬碳负极材料为核壳结构，以软碳微粉为内核，包覆在所述软碳微粉表面的预钠化碳层、碳沉积层为壳；所述碳沉积层包覆在所述预钠化碳层表面；

所述预钠化碳层包含聚合物碳化层、碳化的纳米微晶纤维素以及钠元素；

所述聚合物碳化层包裹有碳化的纳米微晶纤维素以及钠元素。

在本发明的一个实施例中，满足以下条件中的一种或多种：

所述内核的直径大小为0.02~5μm；

所述预钠化碳层的厚度为0.2~20μm；

所述碳沉积层的厚度为0.002~0.6μm；

所述预钠化硬碳负极材料的中值粒径D50为0.4~38μm；

所述预钠化硬碳负极材料的碳含量＞80wt%；

所述预钠化硬碳负极材料的钠含量为0.05~18wt%。

本发明的第二个目的在于提供上述预钠化硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）、将软碳微粉、分散剂、水混合得到软碳微粉混合液，超声处理得到软碳微粉匀浆；

（2）、向软碳微粉匀浆加入氧化改性纳米微晶纤维素、预钠化剂，搅拌混合一定时间，均匀分散于软碳微粉中，加入聚合物，进行聚合物包覆，干燥得到混合固体；

（3）、将混合固体送至反应腔体中，惰性氛围下，加热碳化，得到预钠化碳层包覆软碳微粉的前驱体；

（4）、将步骤（3）中所述前驱体进行加热，通入气态碳气体，进行碳沉积得到所述预钠化硬碳负极材料。