[发明专利]硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料及其制备方法

说明书

本发明提出一种硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料及其制备方法，以氧化石墨烯为原料通过在乙二胺和硼氢化钠水热还原自组装制备出一种三维多孔结构石墨烯凝胶结构，而后经冷冻干燥后与硫按比例混合，在真空石英管600℃高温反应制得硫调制的三维多孔石墨烯气凝胶碳基负极材料，适用于锂、钠、钾碱金属离子电池，显现出优异的倍率和循环性能。本发明的一种硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料的制备方法工艺简单易行、制备用时短、产率高可控性好，并且原材料均无毒环保，特别是制备的材料应用于锂、钠、钾碱金属离子电池中均获得优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电池电极材料技术领域，尤其涉及一种硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料及其制备方法。

背景技术

随着传统化石燃料的快速消耗，人们对开发环境友好，价格低廉的能量存储体系提出了越来越高的要求。在众多储能技术中，锂离子电池由于其高能量密度，适宜的工作温度和无记忆效应等特点而得到了广泛的应用。然而，随着商业化锂离子电池的迅速普及，由于地壳中有限的锂资源存储(质量比0.0017％)使得其在大规模储能系统中的应用受到了严重限制。与锂相比，在地壳中储量丰富的钠(质量比2.36％)和钾(质量比2.09％)使得钠离子电池和钾离子电池吸引了研究者的广泛关注。此外，由于钠和钾不与铝形成合金，因此锂离子电池中使用的负极集流体铜在钠离子电池和钾离子电池中可以用较便宜的铝取代从而降低电池的成本。

但是，虽然锂、钠、钾离子电池具有相似的离子存储机制，但商业的锂离子电池电极材料在钠离子电池和钾离子电池电极中通常表现出较差的电化学性能，这主要归因于相对锂离子而言钠离子和钾离子拥有更大的离子半径。例如，商业石墨具有约375mAh g-1(LiC6)的理论容量，同时在锂离子电池中表现出长的循环寿命，但它在钾离子电池中只有～270mAh g-1(KC8)的比容量在钠离子电池中则仅为～35mAh g-1(NaC64)。此外，在钠离子电池和钾离子电池中，石墨的倍率性能和循环性能远低于锂离子电池。这是由较小的石墨层间距离(0.334nm)不利于相对较大的钠、钾离子在石墨负极中的嵌入和脱出，甚至导致碳骨架在循环期间因巨大的体积膨胀而坍塌。为了克服这个障碍，增加碳材料的碳层间距是改善钠离子，尤其是钾离子存储的有效方法之一，同时可以进一步提高其倍率性能。虽然大量的碳质材料，如膨胀石墨，硬碳微球，软碳和硬软复合材料等使得钠离子电池和钾离子子电池的性能得到一定提高，但相较于锂离子电池，仍有较大提升空间。杂原子掺杂(如氮，氧，磷和硫)可以有效改善碳基材料的物理和化学性质。据报道，氮掺杂的碳纳米纤维在25mA g-1电流密度下可以提供248mAh g-1的可逆容量。与氮元素相比，硫具有更强的电负性和更大原子原子半径，因此硫的掺杂不仅可以扩大碳材料的层间距，还会影响电子的平衡状态，促进电导率，从而进一步提高电池的比容量和倍率性能。

石墨烯被认为是一种具有广阔应用前景的高容量负极材料，因为它具有比表面积大，重量轻，导电性高，电化学活性好，机械柔韧性好等优点，特别是将其用作自支撑电极材料时，会使得电池具有更优异的电化学性能。因此，开发和设计基于独特三维结构石墨烯载体的碱金属离子电池具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料的制备方法，以解决现有技术中的钾离子电池、钠离子电池负极材料电化学性能低、尤其是容量低的问题。

为达到上述目的，本发明提出一种硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料，材料为硫调制的三维石墨烯气凝胶，硫调制的三维石墨烯气凝胶包括三维多孔结构。

本发明还提出一种硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料的制备方法，以制备如权利要求1的硫调制的碱金属离子电池通用碳基负极材料，包括如下步骤：

步骤1：配置氧化石墨烯水溶液；

步骤2：将乙二胺和硼氢化钠溶液逐滴加入氧化石墨烯水溶液中；

步骤3：将步骤2中所得的混合溶液高温反应一段时间；