[发明专利]碳基储钠负极材料、其应用及制备方法

说明书

本发明公开了一种碳基储钠负极材料、其应用及制备方法，碳基储钠负极材料采用生物质基硬碳材料制成，硬碳的层间距不低于0.37nm，该硬碳层间距远大于石墨层间距，形成钠离子的脱嵌空隙结构，实现可逆地储存钠离子。生物质基钠离子电池负极材料的制备方法包括：将含有茶多酚和多羟基醛/酮生物质原料进行清洗；然后真空干燥清洗后的原料；再将干燥后的原料研磨粉碎得到前驱体颗粒；然后在惰性气体保护下，将前驱体颗粒进行高温碳化处理，冷却即得碳基储钠负极材料。本发明选择生物质材料进行上述工艺处理，原料来源广泛、环境友好，所得硬碳负极材料具有优良的钠嵌入和脱出能力，循环稳定性好，可逆比容量高。

技术领域

本发明涉及一种钠离子电池、其应用及制备方法，特别是涉及一种钠离子电池的电极材料、其应用及制备方法，应用于储钠材料及钠离子电池技术领域。

背景技术

目前，全球气候变暖、空气污染和化石燃料的枯竭给全人类带来了巨大的挑战，寻找安全且长寿命的能量存储系统正变得迫在眉睫。目前，钠离子电池被认为是一种很有前途的材料，因为与锂离子电池相比，其全球资源分布丰富，原料价格低，且可以使用的铝制集流体成本也低，特别适合大规模储能。钠离子电池最近的研究热点主要集中在负极材料上，因为石墨作为最广泛使用的锂离子电池负极材料，不能将钠离子嵌入石墨层中。因此，科学家们在迫切的寻找成本低廉又性能优异的负极材料。目前，主要有以下类别的负极材料：碳材料、金属氧化物和有机化合物。其中，无定形硬碳似乎是最有希望的材料，由于其无序结构中存在缺陷和空隙，它可以可逆地储存钠原子。这使得硬碳具有高可逆容量，低钠储存电压和优异的循环稳定性。

虽然硬碳材料用作钠离子电池负极材料具有高的电化学性能，但在实现其工业生产应用之前仍存在两个巨大阻碍：原料价格高和首周效率低。因为硬碳负极表面缺陷较多，当其与电解质接触时会形成致密的SEI，导致极化很大，因此首周库伦效率很少超过70％。同时传统的硬碳材料如酚醛树脂等合成工序复杂，普遍需要复杂前处理，原料成本高，高温裂解碳产率低，传统的硬碳材料首周库伦效率低，循环稳定性和比容量较低，工艺控制难度大，不利于工业化应用和实施。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种碳基储钠负极材料、其应用及制备方法，利用生物质材料制备钠离子硬碳负极材料，使其能解决现有的原料成本高和首周库伦效率低的问题，同时保证了优良的循环稳定性和高的比容量，适用于大规模生产。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳基储钠负极材料，采用生物质基硬碳材料制成，硬碳的层间距不低于0.37nm，该硬碳层间距远大于石墨层间距，形成钠离子的脱嵌空隙结构，实现可逆地储存钠离子。生物质基硬碳材料优选采用含有茶多酚和多羟基醛/酮的生物质原料制成硬碳材料。

作为本发明优选的技术方案，碳基储钠负极材料的0.1C首次可逆比容量不低于227.1mAh/g，其首次库伦效率不低于79.3％。

一种本发明碳基储钠负极材料的应用，用于制备钠离子电池，电池包含基于生物质的钠离子电池负极材料和电解液，所述电解液含有钠盐NaPF₆、NaClO₄和NaTFSI中的至少一种，并且所述电解液还含有选自非水溶剂碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、二甘醇二甲醚、乙二醇二甲醚和碳酸二甲酯中的至少一种。

作为本发明优选的技术方案，上述碳基储钠负极材料的应用，将生物质基硬碳材料作为负极活性物质，与海藻酸钠按照9.5:0.5的质量比混合均匀，制成负极浆料，涂覆在铝箔上，放入真空干燥箱中以不低于100℃下干燥至少12h，即得硬碳负极极片。作为本发明进一步优选的技术方案，将所述硬碳负极极片作为工作电极，以金属钠片为对电极，采用EC/DEC为1:1并且电解质浓度为1.0mol/L的混合液为电解液，在惰性气体气氛下组装成钠离子电池。

一种本发明碳基储钠负极材料的制备方法，包括如下步骤：