[发明专利]一种扩大层间距微晶石墨材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种扩大层间距微晶石墨材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用，扩大层间距微晶石墨材料制备过程为将微晶石墨微粉通过酸液提纯处理，得到纯化微晶石墨；所述纯化微晶石墨进行氧化插层处理，得到氧化微晶石墨；所述氧化微晶石墨通过还原处理，即得比表面积为10～100m²/g；层间距为0.373～0.394nm的扩大层间距微晶石墨材料；该方法原料易得，制备工艺简单，重复性好；制备扩大层间距微晶石墨具有大的层间距、丰富的表面官能团、适中的比表面积、优异的导电性和良好的机械强度等特点，作为钠离子二次电池的负极，具有较高的库伦效率、优异的倍率性能和长循环稳定性能，同时具有高的振实密度和低的成本。

技术领域

本发明涉及一种改性微晶石墨材料，特别涉及一种扩大层间距微晶石墨材料，还涉及通过氧化插层及还原制备扩大层间距微晶石墨材料的方法，还涉及扩大层间距微晶石墨作为钠离子电池碳负极材料的应用，属于二次电池领域。

背景技术

石墨是一种拥有良好层状结构的碳材料，该材料耐高温，耐腐蚀，具有良好的导电性、导热性和稳定的化学性能。同时石墨具备电子电导率高、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，在备受关注的储能领域大放异彩，已成为目前主流的商业化锂离子电池负极材料。然而，由于锂资源储量较少，锂的回收和提取困难等原因，导致锂离子电池成本居高不下，锂离子电池和石墨材料的进一步应用受到限制。

钠离子电池凭借钠的储量丰富，成为新一代二次电池体系的研究热点。然而相较于锂离子电池，钠离子电池具有负极电压高和钠离子半径大等问题，给高效钠离子电池的开发提出了许多难题。纵然钠离子电池的反应机制与锂离子电池相同，然而钠离子半径比锂离子大55％，钠离子在相同结构的石墨中的嵌入和扩散往往非常困难，同时嵌入后的石墨结构变化会更大，因此电极的比容量和电化学性能都会相应变差，因此普通石墨不适合作为钠离子电池的负极材料。钠离子电池领域普遍认为拥有着更大层间距，更多微纳孔结构的硬碳材料是钠离子电池负极材料的理想选择，然而硬碳材料导电性差，并且制备成本高，限制了钠离子电池的倍率性能和价格优势。最近，人们认为扩大层间距的石墨材料有希望发挥储钠性能，于是重新把目光投回石墨材料。

天然石墨有晶质(鳞片状)石墨和微晶(土状)石墨。晶质石墨鳞片大，集合体取向性好。微晶石墨晶体直径通常小于1μm，呈微晶集合体，呈乱层结构，故在工业上不如鳞片石墨应用广泛，但是其价格更低，平均层间距更大，乱层结构更易进一步制备扩大层间距的石墨材料。由微晶石墨制备膨胀石墨的研究比较少见，这是因为微晶石墨与常用的膨胀石墨原料晶质石墨相对比，二者在化学反应属性、结晶取向性等方面具有明显差异性。因而，采用传统工艺一直没有攻克采用微晶石墨制备扩大层间距的微晶石墨的技术方法。

传统的制备膨胀石墨的方法包括化学插层法和高温膨胀法，但是由于微晶石墨和鳞片石墨结构上的不同，导致以此种方法制备膨胀微晶石墨的效果并不好，碳层间距扩大的程度不大，且插层过程中含硫元素的进入使得在进一步热处理的过程中向空气中释放了大量二氧化硫等有害气体，造成了环境污染。另外高温处理时溢出的气体蛀蚀了材料本身，留下了大量大孔，降低了材料的库伦效率。

因此，如何制备扩大层间距的石墨材料，并且避免上述问题，成了长期困扰科研工作者的难题。

发明内容

针对现有微晶石墨用于二次电池负极材料存在的问题，本发明的目的是在于提供一种层间距大、比表面积合适、导电性好以及优异导电性和机械强度等特点的扩大层间距微晶石墨材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种工艺简单、重复性好、成本低廉、环境友好、适合大规模生产的制备上述一种扩大层间距微晶石墨材料的方法。

本发明的第三目的在于提供制得扩大层间距微晶石墨材料的应用，将其用于钠离子电池，旨在提升制得的钠离子电池的电学性能，如提高其比容量和长期循环稳定性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种扩大层间距微晶石墨的制备方法，该方法包括以下步骤：