[发明专利]一种三明治结构碳基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三明治结构碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将壳聚糖与锌盐类造孔剂混合均匀，经碳化处理，得多孔碳纳米片；(2)将步骤(1)所得多孔碳纳米片浸泡在可溶性镍盐溶液中，取出干燥，经CVD气相沉积，即得三明治结构碳基复合材料。该制备方法原料易得、重复性好、易于实现工业化生产。本发明公开了一种三明治结构碳基复合材料，该碳基复合材料导电性好。本发明还公开了上述三明治结构碳基复合材料作为负极材料在钠离子电池中的应用，采用本法的碳基复合材料制作的钠离子电池比容量高、倍率性能好、循环性能好。

技术领域

本发明涉及钠离子电池技术领域，具体涉及一种三明治结构碳基复合材料及其制备方法和应用。

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。虽然钠离子电池中的反应机制与锂离子电池中相似，然而，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，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，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。因此理想的钠离子电池用嵌入型负极材料需要较大的层间距。

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。无定型碳材料凭借其比容量高，循环寿命长等优点，成为研究较多的碳材料种类。对于无定型碳储钠容量主要来源于活性位点、低石墨化微晶区和微孔区等，然而无定型碳材料作为钠离子电池负极材料，普遍存在着导电性差和倍率性能差的问题，严重抑制了无定型碳作为钠离子电池负极的应用。材料的结构对材料电化学性能产生巨大影响，因此，对无定型碳材料进行结构和石墨化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

针对以上背景技术中提到的不足和缺陷，本发明的目的在于，提供一种原料易得、重复性好、易于实现工业化生产的三明治结构碳基复合材料的制备方法。

本发明的另一个目的在于，提供一种电子导电性和离子迁移率高的三明治结构碳基复合材料。

本发明的另一个目的在于，提供一种上述三明治结构碳基复合材料在钠离子电池中的应用。将该碳基复合材料作为钠离子电池的负极材料，所得钠离子电池比容量高、倍率性能好、循环性能好。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明中，三明治结构碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将壳聚糖与锌盐类造孔剂混合均匀，经碳化处理，得多孔碳纳米片；

(2)将步骤(1)所得多孔碳纳米片浸泡在可溶性镍盐溶液中，取出干燥，经CVD气相沉积，即得三明治结构碳基复合材料。

本发明采用锌盐类造孔剂，以壳聚糖作为碳源，经碳化处理制备出多孔碳纳米片材料。锌盐类造孔剂作为自牺牲模板在碳化过程中分解和气化，在碳材料中形成大量微小孔洞，得到具有多孔结构的碳纳米片材料。再将多孔碳纳米片浸泡在可溶性镍盐溶液中，取出干燥，通过液相法使镍离子均匀附着在多孔碳纳米片上，实现催化剂(镍离子)的均匀负载；在CVD气相沉积过程中，通过镍的催化作用，石墨化碳均匀生长在多孔碳纳米片表面，形成石墨化碳层包覆无定型碳层的三明治结构，石墨化碳层的形成有利于提高材料的电学性能；另外，采用CVD气相沉积法也便于精确控制石墨化碳层的厚度，从而实现对碳基复合材料结构的精确设计和调控。

通过本发明的方法所得的三明治结构碳基复合材料孔隙率高，层间距适中，反应活性位点丰富，与电解液润湿性好，为钠离子和电解液传输提供良好的动力学条件，具有良好的钠离子嵌入和脱出能力，导电性好，该三明治结构碳基复合材料兼具高电子电导率和离子迁移率，可实现钠离子的快速可逆存储。