[发明专利]一种负极材料及其制备方法以及含有该负极材料的钠离子电池

说明书

本发明公开了一种负极材料及其制备方法以及含有该负极材料的钠离子电池，所述制备方法包括以下步骤：(1)首先配制无机盐水溶液，随后加入甲壳素或甲壳素衍生物粉末，缓慢加入助溶剂，持续搅拌或超声得到均一溶胶；(2)将步骤(1)所得溶胶进行冷冻并真空干燥得到蓬松前驱体；(3)将步骤(2)所得前驱体在惰性气氛下进行高温煅烧，甲壳素或甲壳素衍生物碳化的过程中利用无机盐熔融蒸发特性，原位制得多孔硬碳材料。本发明的负极材料具有交联孔洞结构，比表面大，丰含氮元素。丰富氮元素的保证了材料高的电子电导，同时三维交联网络有利于钠离子在其中的快速脱嵌，实现电池的高容量、大倍率充放电，提高电池的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体地，涉及一种负极材料、该负极材料的制备方法以及含有该负极材料的钠离子电池。

背景技术

传统化石能源如煤、石油、天然气等日趋枯竭且对环境造成的污染显著，进入21世纪，能源危机和环境污染问题成为人类面临的主要问题。大力开发和高效利用风能、太阳能、潮汐能、核能、地热能等可再生清洁能源成为解决上述两大问题最有效的途径。二次电池作为能量储存和转化的载体，承载着改变能源结构和减少环境污染的希望。

二次电池虽然可以作为储能和供能设备较好的解决这一问题。其中锂离子电池具有众多的优点比如能量密度高、循环寿命长、环境损害小、平均输出电压高、输出功率大、自放电小、无记忆效应等。但是由于受到资源的限制，锂离子电池成本居高不下。钠与锂化学性质相近，并且钠资源是锂资源的近400倍，并且成本仅为锂资源的1/80。同时钠与锂位于同一主族，钠的电位为-2.71V vs.SHE，十分接近锂的-3.04V，化学性质相近，为其电池体系的建立提供了可能性。

近些年来，正极材料在钠离子电池电极材料中研究较为充分，具有稳定脱嵌钠离子的正极材料已有多种，比如层状材料、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物。然而负极材料在诸多方面仍受到各种制约。目前的负极材料中主要有碳基材料、金属氧化物/硫化物、合金化材料、钛基材料等。其中从成本以及循环稳定性的角度考虑，硬碳材料用作钠离子负极材料具有明显的优势。硬碳材料通常是由不同的碳源经过高温碳化制成，因此碳源的选择成为其中重要的组成部分。甲壳素是自然界中储量最为丰富的天然高分子之一，其具有廉价，易获取以及可回收等优势。因此我们选择该种物质或其衍生物作为碳源，从而扩大钠离子电池廉价的优势。

通常多孔碳材料需要在高温下利用强碱与碳的反应刻蚀获得，例如最常用到的造孔剂KOH。该方法应用比较广，但是具有强的腐蚀性并且该方法中后续还需要大量的酸，对环境造成极大的污染。目前，具有环境友好的造孔材料也逐渐被关注，例如，NaCl由于极易溶解于水中，被用作造孔剂，但是在该过程中仅利用了其物理占位的作用，低于熔点以下NaCl制备的孔结构分散并且均为单一的大孔。后续过程中仍然需要大量水进行超声清洗等复杂的步奏。因此寻找一种极其简便经济的方法制备交联多孔碳负极材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的克服现有的造孔材料及其制备方法的不足，提供一种极简易制备的负极材料、该负极材料的制备方法以及含有该负极材料的钠离子电池。本发明的负极材料具有三维交联网络状结构，比表面大，孔隙间相互连通并且含有丰富的氮元素，不仅有利于钠离子在材料中快速脱嵌，实现电池的高容量、大倍率充放电，而且能够提高电池的循环稳定性。

本发明的发明人发现，通过先将无机盐溶解于去离子水中形成盐溶液，然后在其中加入甲壳素或甲壳素衍生物粉末，待搅拌均匀后加入助溶剂。持续搅拌使得溶液呈半透明胶状。然后将该溶液转移至低温环境中进行冷冻，从而保持材料原有的形貌。在保持形貌的前提下将材料中的水分进行干燥，最后得到蓬松的块状材料。将该材料在惰性气氛保护下高温煅烧。无需后续的处理即可得到三维多孔网络状负极材料。通过控制溶剂添加顺序、煅烧温度、煅烧时间，进而控制无机盐的熔融以及蒸发速率等技术，使得材料表现出由三维多孔网络构成的块状结构。该特殊结构不仅为钠离子传输提供了快速的通道，而且完整体块状结构在循环过程中也能保持极其稳定的性能。进而实现电池的高容量、大倍率充放电，提高电池的循环稳定性。