[发明专利]一种高效钠离子电池负极碳复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种高效钠离子电池负极碳复合材料的制备方法：将聚乙烯吡咯烷酮的水溶液与九水合硝酸铁混合，加热搅拌至完全干燥，经真空干燥、惰性气氛下于650‑750℃煅烧2‑3 h获得黑色粉末，再经酸洗、水洗至中性、烘干即得。其为由二维纳米片组装而成的三维结构，该结构可以很好的缓解由于钠离子嵌入所导致的体积变化。Fe₃C颗粒的存在不仅会提高整体电极材料的导电性，还会增强Fe‑N‑C对钠离子的吸附，由其作为活性物质制备的钠离子电池负极材料具有良好的循环稳定性，在电流密度为2000 mA g^‑1时，循环2000次后电池容量仍高达176 mA h g^‑1。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种高效钠离子电池负极碳复合材料、制备方法，以及其作为钠离子电池负极材料在制备高性能钠离子电池方面的应用。

背景技术

锂离子电池在便携式设备、电动汽车以及航空航天等领域被广泛应用。随着锂离子电池的大规模使用，其资源快速消耗，能源匮乏已越发严重。寻求可替代的资源已成为近年来研究的重点。钠与锂相比具有丰富的资源，且来源广，价格低廉，又与锂同属一主族，具有相似的物理化学性质。因此，钠离子电池作为替代锂离子电池最有利的候选者，受到了科研人员的高度重视，有希望成为下一代新的可大规模储能器件。

此外，钠的储能机制与锂电池基本相似，然而较大的钠离子半径导致了严重的缓慢反应动力学，易造成电极材料结构坍塌，从而导致电化学性能下降。因此，急需探索研发出高性能的合适的电极材料。近年来，对于碳负极材料的研究源源不断，其原因主要是碳的来源广，种类多，成本低，且形貌可控。尽管如此，碳材料也存在一些缺点，如较低的石墨化程度不仅影响电荷传输也影响内部结构稳定性，使其导电性和电化学稳定性受到制约。因此，为了解决这些问题前人做了大量研究，包括在碳材料中引入金属颗粒提升导电性（J.Mater. Chem. A, 2018, 6, 7148）；引入杂原子也会增加碳材料的储能活性位点，增强其电荷转移能力（Chem. Commun., 2014, 50, 12091）；引入原子级分散金属会提升对钠金属离子的吸附性位点，提升储钠性能（Chem. Commun., 2020, 56, 5182）。更重要的是，在锂离子电池充放电过程中，过渡金属的参与会因为表面的自旋极化带来额外的容量（Nat.Mater. 2021, 20, 76），从而，在钠离子电池中引入自旋极化电容是很有必要性的，但是同时具有挑战性。另一方面，过渡金属的存在可以对电极表面形成的固态电解膜进行可逆转化，提供额外的容量（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2924）。因此，在钠离子电池中实现高性能，长循环，且材料合成方法简单，仍具有一定的挑战性。

本研究中，我们在温和条件下，通过简单的方向，制备了一种高效钠离子电池负极碳复合材料；通过控制煅烧温度，调剂材料中原子级分散金属的含量，继而影响原子级分散金属与金属颗的粒协同作用，显著提升对钠离子的吸附性及对形成固体电解质膜的可逆转化。结果，所制备的钠离子电池负极碳复合材料具有良好的循环稳定性和优异的倍率性能。

发明内容

本发明目的在于解决现有碳材料容量不足的问题，本发明提供了一种高效钠离子电池负极碳复合材料，其作为钠离子电池负极材料制备钠离子电池具有高可逆容量、长循环周期和优异倍率性能等优点。

本发明还提供了上述高效钠离子电池负极碳复合材料的制备方法，以及其作为钠离子电池负极材料在制备高性能钠离子电池方面的应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高效钠离子电池负极碳复合材料的制备方法，其将聚乙烯吡咯烷酮的水溶液与九水合硝酸铁混合，加热搅拌至完全干燥，经真空干燥、惰性气氛下于650-750℃煅烧2-3h获得黑色粉末，再经酸洗、水洗至中性、烘干即得。