[发明专利]一种碳纳米片负极材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳纳米片材料及其制备方法和作为钠离子电池负极材料的应用，将多巴胺置于氯化锂溶液中进行聚合反应，得到聚多巴胺‑氯化锂凝胶；所述聚多巴胺‑氯化锂凝胶通过高温碳化处理得到多孔碳纳米片前驱体；所得多孔碳纳米片前驱体经过氩气等离子刻蚀，即得多孔碳纳米片材料。该制备方法简单、原料易得、重复性好，满足工业化生产；制备的多孔碳纳米片材料具有比表面积大、反应活性位点丰富、层间距适中等优点，将其用于钠离子电池，表现出良好的电池性能。

技术领域

本发明涉及一种碳材料，特别涉及一种多孔碳纳米片材料及其制备方法，和多孔碳纳米片材料在钠离子电池中的应用，属于钠离子电池领域。

背景技术

钠离子电池凭借钠储量丰富，可借鉴现有电池成果等优势，成为新一代二次电池体系的研究热点。与锂离子电池相比，钠离子电池依然存在着比容量低等问题，严重限制了钠离子电池的发展。钠离子半径比锂离子要大55％左右，钠离子在相同结构材料中的嵌入和扩散往往都相对困难，同时嵌入后材料的结构变化会更大，因而电极材料的比容量、动力学性能和循环性能等都相应地变差。电极材料决定着电池的容量、工作电压和循环寿命等重要的参数。虽然钠离子电池具备与锂离子电池相似的化学原理，但是需在借鉴锂离子电池现有成果同时针对钠离子特点才会开发出储钠性能优异的材料。

现有钠离子电池负极材料中，碳材料是研究最早也是研究较多的负极材料。碳纳米片材料凭借其比容量高的优点，成为研究较多的碳材料种类。对于碳纳米片储钠容量主要来源于活性位点、层间和微孔区等。有人指出海藻酸钠经过碳化得到碳纳米片材料具备较高的比容量(Materials Letters,2016,185:530-533)，然而因其碳纳米片材料上储钠活性位点缺乏，仍然难以满足高性能钠离子电池的要求。因此开发性能更优异的钠离子电池负极材料是开发高效钠离子电池急需解决的问题。对碳材料进行形貌结构调控是解决现有钠离子电池碳负极材料存在问题的一个重要方向。

发明内容

针对现有钠离子电池负极材料存在的问题，本发明的第一个目的是在于提出一种反应活性位点丰富、比表面积大的多孔碳纳米片材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种原料简单易得、反应可控、重复性好的制备多孔碳纳米片材料的方法，该方法易于实现工业化生产。

本发明的第三个目的是在于提供所述多孔碳纳米片材料在制备钠离子电池材料中的应用，制备的钠离子电池具有倍率性能优异、循环性能好等优点。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种多孔碳纳米片材料的制备方法，该方法是将多巴胺置于氯化锂溶液中进行聚合反应，得到聚多巴胺-氯化锂凝胶；所述聚多巴胺-氯化锂凝胶通过高温碳化处理得到多孔碳纳米片前驱体；所得多孔碳纳米片前驱体经过氩气等离子刻蚀，即得。

本发明的技术方案，关键在于结合超分子聚合法和水溶性模板制备聚多巴胺-氯化锂凝胶，凝胶经过碳化得到层间距较大的碳纳米片材料前驱体，再经过等离子体刻蚀得到多孔碳纳米片材料。通过等离子体技术精确控制多孔碳纳米片材料的孔隙率和尺寸大小。所得多孔碳纳米片材料具备丰富的活性位点，丰富的孔隙结构，大层间距，大的比表面积，能显著的提高储钠活性位点，提升钠离子传输动力学。克服碳材料普遍存在的储钠位点匮乏的问题，避免常规方法制备碳纳米片所需条件苛刻的问题。

本发明的技术方案采用原料廉价易得、可操作性强，工艺重复性好，适合工业化生产。

优选的方案，所述氯化锂溶液中氯化锂的浓度为1～200g/L；氯化锂的浓度优选为20～200g/L。

优选的方案，多巴胺与氯化锂溶液中氯化锂的质量比为0.01～1:1；多巴胺与氯化锂的质量比优选为0.01～0.5:1；更优选为0.01～0.1:1。

优选的方案，所述聚合反应的温度为10～90℃，时间为0.5～50h；优选的温度为20～90℃，较优选的温度为25～90℃；优选的反应时间为0.5～50h。