[发明专利]一种具有高库伦效率的硬碳电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高库伦效率的硬碳电极及其制备方法。硬碳被认为是钠离子电池理想的负极材料。然而，硬碳中一些固有的孔洞造成其首次库伦效率偏低，降低了钠电极的容量，影响了钠离子电池的实际应用。目前研究者主要通过控制温度尽量减少硬碳材料固有的孔洞。本发明提供的硬碳电极的固有孔洞中填充有单质硫颗粒。单质硫颗粒通过将带有硫盐的硬碳材料作为阳极进行电解得到。本发明在利用硬碳材料构造电极后，在电极中浸入硫盐后，再利用电解反应，形成填充硬碳材料中孔洞的单质硫颗粒，减小了硬碳材料中的固有孔洞对电极首次库伦效率的负面影响，从而得到了首次库伦效率高于现有硬碳材料的硬碳电极，工艺简单。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种具有高库伦效率的硬碳电极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其能量密度高，已被应用于我们生活中的多个领域。锂资源的匮乏迫使我们开发其他的碱金属电池。钠离子电池因为地壳中丰富的钠资源而备受青睐。然而，由于钠离子半径比锂离子大，普通的碳材料并不适合应用于钠离子电池。硬碳被认为是钠离子电池理想的负极材料。然而，硬碳首次库伦效率偏低，降低了钠电极的容量，影响了钠离子电池的实际应用。主要原因是硬碳嵌锂过程中进入其固有孔洞中的锂离子由于物理局域效应在脱锂过程中难以返回正极，形成“死锂”。目前研究者主要通过控制温度尽量减少硬碳材料固有的孔洞。然而，由于硬碳制备过程中，氧原子、氢原子的脱离使得孔洞的形成不可避免。如何通过后处理减少硬碳中的孔洞，进而提升硬碳电极的首次库伦效率值得进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高首次库伦效率的硬碳电极的制备方法。

第一方面，本发明提供一种具有高库伦效率的硬碳电极，其硬碳材料的固有孔洞中填充有单质硫颗粒。

作为优选，硬碳材料中的单质硫颗粒通过将带有硫盐的硬碳材料作为阳极进行电解得到。

第二方面，本发明提供前述的具有高库伦效率的硬碳电极的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、以水为溶剂，将硬碳材料、导电剂和粘接剂混合均匀，得到浆料。

步骤二、将步骤一所得浆料涂覆成片后干燥，得到极片。

步骤三、将步骤二所得极片置于硫盐溶液中浸泡后干燥。

步骤四、以步骤三所得极片为阳极，石墨片为阴极，进行电解，使得硫离子氧化为单质硫颗粒，填充在硬碳材料的固有孔洞中。电解后的极片即为具有高库伦效率的硬碳电极。

作为优选，步骤一中，通过机械球磨的方式进行混合，机械球磨转速为300r/min，球磨时间为3h，固含量为40％。

作为优选，步骤一中，所述的导电剂采用碳纳米管；所述的粘接剂采用丁苯橡胶和羧甲基纤维素。硬碳材料、碳纳米管、丁苯橡胶、羧甲基纤维素的质量比为86～95:1～10:1.5:2.5。

作为优选，步骤二中，浆料涂覆于铜箔后，在真空干燥箱中100℃下烘烤12h。

作为优选，步骤三中，硫盐溶液具体为硫化钠溶液。硫化钠溶液的摩尔浓度为0.2M～2M。浸泡时长为0.5h；浸泡后的干燥在50℃的真空干燥箱中进行。

作为优选，步骤三处理后的极片在进行电解前，置于去离子水中摆洗3s。

作为优选，步骤四中，电解液采用氯化钠溶液，其摩尔浓度为0.1M。电解的电流密度为0.2～1.6mA/cm²；电解时间为0.5h。

作为优选，步骤四中，电解后的极片在二硫化碳溶液中摆洗5s，并进行干燥处理。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：