[发明专利]一种高循环、高倍率的碳基负极储能复合材料及制备方法

说明书

本发明公开一种高循环、高倍率的碳基负极储能复合材料及制备方法。其制备方法即首先进行镍盐水凝胶、镍盐干凝胶前驱体的制备，然后将镍盐干凝胶前驱体在惰性气体保护下，进行煅烧、研磨、酸洗，真空干燥处理，得到的酸洗后的煅烧产物进行高温氧化后自然冷却至室温，即得到高循环、高倍率的碳基负极储能复合材料。其具有较高的循环稳定性、优异的充放电比容量和良好的倍率性能。制备方法简单，成本低廉，性能优异，适用于大规模商业电池的生产。

技术领域

本发明涉及一种电池材料，具体来涉及一种高循环、高倍率的碳基负极储能复合材料及制备方法，属于材料学领域。

背景技术

高吸水树脂(Super Absorbent Polymer，SAP)是一种新型功能高分子吸水性材料。它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。因此，它在个人卫生用品、工农业生产、土木建筑等各个领域都有广泛用途。高吸水树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分，有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系等)几大类。其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。在一系列的技术制备后可以形成多层的碳结构。这种经过一系列修饰的目标材料可以成为一种优质的电池负极材料。高能的吸水性树脂也有它自己的特点：①高吸水性树脂是一种具有高分子固态网束结构的功能高分子；②亲水基团(羟基和羧基等)含量较多，亲水性强、保水性好；③丙三醇酯化反应交联，形成网状结构；④水分子通过氢键与树脂分子链上的大量亲水基团发生水合作用，亲水基团离解；⑤电离产生的阴离子固定在高分子链上，阴离子之间的排斥作用使高分子网束展开，形成空穴；⑥游离的阳离子在树脂网络内浓度增大网络内外产生渗透压，三维交联结构扩张产生的相应的弹性收缩，最终达到吸水平衡。同时，其煅烧产物(类石墨烯衍生碳材料)作为二次电池的负极材料，拥有更高的比容量，更好的循环性能。同时在材料本身引进金属氧化物颗粒将会更加有助于比容量的提升，将会增大材料本身的应用前景。但是作为金属氧化物一类高比容量类材料，本征材料拥有着天然的缺陷，在充放电循环下，容量衰减不可阻挡。

所以，设计一种能够提供电子传输通道和离子传输网络是目前解决这类材料的主要手段。在此，以功能高分子吸水树脂材料的煅烧产物为骨架，解决金属-碳基负极材料，从而达到具有一种高循环、高倍率电化学储能性能。

综上所述，目前电池负极材料存在充放电时的体积膨胀和容量衰减等技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的电池负极材料在充放电时容量衰减比较快的技术问题而提供了一种高循环、高倍率的碳基负极储能复合材料，该复合材料制作而成的锂离子或钠离子电池的负极作为锂离子或钠离子电池的负极使用，例如：组装成的纽扣式电池，储锂时，在电流密度为200mA/g能够充放电可达上百圈数，容量超过1000mAh/g。

本发明的技术原理

本发明通过具有高分子固态网束结构的高分子吸水树脂吸收金属盐水溶液，然后形成水凝胶，将水凝胶转化为冰凝胶，最后通过冷冻干燥得到干凝胶前驱体，随后的两次高温煅烧活化酸洗制备得到目标产物。

高分子吸水树脂作为一种新型功能高分子，其煅烧物在锂离子、钠离子电池中的应用拥有以下几个储能材料的优点：

①、三维多孔结构不仅为锂离子、钠离子和电子的存储、传输提供了有效的空间和路径；

②、能够增加与电解液的接触面积，充分利用电极上的活性材料，让锂、钠在充放电过程中充分地进入材料的内部；

③、还可以有效地抑制电极材料充放电过程中的体积变化、防止团聚；