[发明专利]一种高性能特殊结构单分散碳球负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高性能特殊结构单分散碳球及其制备方法和应用，制备方法是通过在吡咯或苯胺单体的溶液中加入植酸、P123、硫酸铁盐后冰浴磁力搅拌，再加入过硫酸铵水溶液引发共聚合反应，最后经由高温碳化一步制备铁掺杂具有单分散特性的特殊球形碳结构材料本发明根据钠电池负极材料充放电循环中的特点，设计制备铁掺杂的球状碳呈现Chaoite carbon结构类型，且全部材料颗粒尺寸基本一致呈现单分散的特性，该材料特性有利于消除电极材料的极化，同时其较大的晶格间距有利于钠离子的存储，从而有效地改进电极材料的电化学性能。本发明制备原料便宜，操作工艺简单，收率高，材料的充放电性能优异，便于工业化生产。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种高性能特殊结构单分散碳球负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

在二十世纪七、八十年代，钠离子电池与锂离子电池的研究几乎处于同一水平，然而石墨负极在锂离子电池中的成功应用直接促进了其商业化进程，钠离子电池却至今仍未实现产业化突破，瓶颈之一是缺少合适的实用化负极材料。近几年钠离子电池的研究相继取得重要的进展，其中负极材料的研究主要集中于碳材料以及一些非碳材料(金属及氧化物材料、合金材料及磷等)。非碳材料对锂和钠都表现出高的存储容量，但是由于导电率低、体积变化大和易粉化等问题，即便在商业化程度很高的锂离子电池中仍未获得大规模应用。上述问题在钠离子电池中同样存在，而碳基材料不仅具有较低的嵌钠平台，较高的容量和良好的循环稳定性，还具有资源丰富，制备简单等优点。因此碳材料仍是最有希望推动钠离子产业化的关键负极材料。

目前具有应用前景的主要储钠碳材料包括：(1)软碳材料，主要指具有层状结构的类石墨碳材料，主要以层间插层的形式储钠，导电性较好，但是比容量较低；(2)硬碳材料，结构复杂多样，通常具有多种储存钠离子的形式，虽然容量较高，但是首次库仑效率低；(3)纳米碳材料，诸如石墨烯、碳纳米管等，通常主要依靠表面吸附实现储钠，可以实现快速充放电，但是库仑效率低、循环性差等问题使其在短时间内也难以获得实际应用(张思伟,张俊,吴思达,等.钠离子电池用碳负极材料研究进展[J].化学学报,2017,75(2):163-172.)。因此，开发新型的钠离子电池碳基负极材料极具迫切性。此外，碳材料结构对其储钠性能的影响关系研究目前还十分匮乏。此外，赵氏碳(Chaoite carbon)结构碳材料目前只发现广泛存在于陨石等材料中，自然界中很少。目前尚未见大规模制备Chaoite carbon的方法。

发明内容

针对现有问题的不足，本发明的第一个目的是提供一种高性能特殊结构单分散碳球负极材料的制备方法；

本发明的第二个目的是提供一种高性能特殊结构单分散碳球负极材料；

本发明的第三个目的是提供一种高性能特殊结构单分散碳球负极材料在制备钠电池电极方面的应用。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种高性能特殊结构单分散碳球负极材料的制备方法，通过在吡咯或苯胺单体的溶液中加入植酸、P123、硫酸铁盐后冰浴磁力搅拌，再加入过硫酸铵水溶液引发共聚合反应，最后经由高温碳化一步制备铁掺杂具有单分散特性的球形Chaoite carbon结构材料。

进一步地，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)将P123加入去离子水中超声搅拌分散至完全溶解，再加入Fe₂(SO₄)₃.7H₂O，超声搅拌15min；然后开始冰浴磁力搅拌20min；

(2)另将吡咯或苯胺分散在去离子水中，超声搅拌分散均匀(无油滴)，加入P123和植酸超声搅拌分散至完全溶解；然后开始冰浴磁力搅拌20min；

(3)将步骤(1)的溶液分散在步骤(2)的溶液中，冰浴磁力搅拌20min；