[发明专利]一种钠离子二次电池负极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种钠离子二次电池负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着化石燃料的耗竭，太阳能、风能等可再生能源的利用越来越受到人们的重视，但是这些可再生能源的间歇性致使其不能持续稳定的对电网供电，所以储能系统的发展对于可再生能源的利用至关重要。钠离子电池由于钠的储量丰富、分布广而具有潜在的低成本优势；更为重要的是，利用钠离子作为载体，发现新的电化学反应机理和新材料，从而达到进一步降低成本的目的，例如：钠不与铝发生合金化反应从而使铝箔可以作为钠离子电池负极的集流体(由于锂与铝有合金化反应，因此锂离子电池负极的集流体不能用铝箔。)，有效避免了电池过放电引起的集流体氧化，导致钠离子电池没有过放电的问题，便于电池的储存和运输。

高性能、低成本负极材料的开发与应用是钠离子电池走向商业化的重要一步。目前，商业化的锂离子电池应用的主流负极为石墨材料，但由于热力学原因，钠离子难以嵌入到石墨材料层间，不能作为钠离子电池的负极。

在众多被研究的钠离子电池负极材料中，硬碳材料由于具有高的比容量、低的储钠电位等优点成为钠离子电池最有应用前景的负极材料。制备硬碳材料的前驱体主要包括纤维素、糖类、呋喃树脂、酚醛树脂和聚偏二氯乙烯等，由于这些前驱体材料的价格高、产碳率低，导致硬碳的价格较高，并且很多报道的硬碳材料的制备过程复杂，这些缺点限制了硬碳材料的大规模应用。本发明实施例以廉价的煤炭为主要原料制备了一种无序度可调、制备方法简单、原材料易得、成本低廉、产碳率高的非晶碳材料，该材料特别适合作为钠离子二次电池的负极材料。

发明内容

本发明实施例提供了一种钠离子二次电池负极材料及其制备方法和用途。该材料制备方法简单、原材料易得、成本低廉且产碳率高，适合于大规模生产。

第一方面，本发明实施例提供了一种钠离子二次电池负极材料，其特征在于，所述材料为非晶碳材料，以煤炭和硬碳前驱体为原材料，加入溶剂后搅拌混合，干燥，然后在惰性气氛下经交联、固化、裂解制备而成。

优选地，所述材料为颗粒状，颗粒的平均粒径为1-50μm；d₀₀₂值在0.35-0.42nm之间，L_c值在1-4nm之间,L_a值在3-5nm之间。；

优选地，所述材料的表面具有包覆层。

优选地，所述煤炭包括无烟煤、烟煤和褐煤中的一种或任意几种混合物；所述硬碳前驱体包括葡萄糖、蔗糖、木质素、纤维素、淀粉、酚醛树脂、聚丙烯腈和环氧树脂中的一种或任意几种的混合物。

第二方面，本发明实施例提供了一种钠离子二次电池负极材料，其特征在于，所述材料为非晶碳材料，以煤炭为原料，在惰性气氛下裂解而成。

优选地，所述材料为颗粒状，颗粒的平均粒径为1-50μm；d₀₀₂值在0.35-0.42nm之间，L_c值在1-4nm之间,L_a值在3-5nm之间。

优选地，所述材料的表面具有包覆层。

优选地，所述煤炭包括无烟煤、烟煤和褐煤中的一种或任意几种混合物。

第三方面，本发明实施例提供了一种钠离子二次电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将煤炭和硬碳前驱体按1∶(0-0.99)的质量比加入溶剂后进行机械混合，得到浆料；(2)将所述浆料在烘箱中直接干燥或喷雾干燥成球；

(3)在惰性气氛下升温至400℃-600℃，反应0.5-5h；

(4)在惰性气氛下升温至1000℃-1600℃，反应0.5-10h；

(5)冷却后，得到钠离子二次电池负极材料；

其中，所述步骤(1)中的煤炭和硬碳前驱体质量比为1:0时，直接进行步骤(3)-(5)。

优选地，所述步骤(3)-(4)中升温的速率为0.5-10℃/min。

优选地，所述机械混合包括球磨、搅拌和超声分散中的任意一种或多种。

优选地，所述方法还包括：

在所述步骤(4)反应过程中通入流量为0.5-200mL/min含碳氢化合物的气体，用于进行表面包覆；

所述含碳氢化合物的气体包括:天然气、甲烷、乙烷、甲苯、乙烯、乙炔和丙炔中的任一种或多种。

第四方面，本发明实施例提供了一种二次电池的负极极片，其特征在于，所述负极极片包括：