[发明专利]一种基于离子催化调控硬碳结构实现高性能钠离子电池储能材料的制备及其应用

说明书

本发明涉及钠离子二次电池领域，提供一种基于过渡金属锰调控硬碳结构的方法用于钠离子电池负极材料，采用廉价易得的生物质作为碳源，通过锰离子(Mnsupgt;2+/supgt;)与一维纤维素纳米纤维的配位，配位效应确保锰在前驱体聚合物中均匀分散，因此有效的催化SPsupgt;3/supgt;碳与SPsupgt;2/supgt;碳之间的转化，使石墨烯片自由重排，形成膨胀纳米石墨和碳的微孔，通过对浓度的调节实现对碳的层间距和微孔的可控调节。最终获得92.05％的超高首效和优异的循化性能(200圈容量保持率为95.80％在20mA gsupgt;‑1/supgt;的电流密度下)。本发明通过离子催化调控解决了钠离子首效低、循环稳定性差的问题，可将首效提高到90％以上，性能提升30％以上，大幅度提高了电池的能量密度，以磷酸钒钠为正极匹配的全电池具有优异的电化学性能，拥有良好的工业化前景，非常适合应用于大规模储能系统。

技术领域

本发明涉及钠离子电池领域，尤其涉及一种基于过渡金属锰调控硬碳结构用于钠离子电池负极材料，更进一步，涉及一种高首效、高容量、低成本、环境友好型的硬碳材料制备方法及其使用该材料作为负极在钠离子电池方面的应用。

背景技术

由于能源问题及其使用带来的全球气候变化问题，因此人类对于寻找新的能源储存技术做出了很大的努力。在现有的、高效的能源储存设备中，二次电池被认为是高能量密度的存储系统，使其成为便携式电子设备、混合动力汽车和大型工业设备的理想选择。锂离子电池是目前市场上最常见的可充电电池，但是锂离子的安全隐患、成本高昂以及锂资源短缺在很大程度上限制了其发展，与锂相比，钠具有丰度较高、分布广泛和价格低廉等特点，从而引起了国内外研究人员的广泛关注，成为最有希望用于大规模储能系统的一项新型电池储能技术。目前，开发低成本高性能的材料是钠离子电池储能技术发展的核心，其中，硬碳作为钠离子电池负极材料最具有研究价值以及商业化前景。

目前报道的生物质及其衍生物、树脂制备的硬碳材料用于钠离子电池，都表现出低的库伦效率、不可逆容量大、倍率性能差以及循环稳定性差，其中树脂类的硬碳工艺复杂，成本较高且产气对环境存在一定污染，使其难以满足硬碳作为商业化钠离子电池负极材料的要求。通过加入少量过度金属有望改善材料结构可控调节层间距、微孔和曲率大小，减少比表面积，可抑制碳基体与电解液发生副反应，合适的层间距、微孔及曲率大小可有效增加钠离子的可逆嵌入和脱出。目前尚未出现基于过渡金属调控的的硬碳材料用于钠离子电池负极材料，有鉴于此，迫切需要研制出基于过度金属调控硬碳钠离子负极材料以提高首效、循环寿命以及可逆容量。

发明内容

本发明的目的在于，针对现存技术的上述不足，提供一种过渡金属锰调控硬碳结构实现高性能钠离子电池储能材料的制备及其应用，制备方法简单、原料广泛、成本低廉，具有首效高、电化学性能好、循环性能好、安全性好、材料性质稳定等优点。

本发明为达到上述目的，所采用的技术方案是：

一种离子催化调控硬碳结构实现高性能钠离子电池储能材料的制备及其应用，包括以下步骤：

S1：将碳源前驱体浸泡在一定比例含锰盐溶液中一段时间。

S2：将浸渍后的材料在保护气氛中以特殊的碳化承载容器高温煅烧，制备得到过渡金属掺杂硬碳钠离子电池负极材料。

进一步地，所述过渡金属盐溶液采用如下步骤制备而成：

准确称量一定量的MnCl₂、CoCl₂、NiCl₂、FeCl₃固体，倒入烧杯中，加入一定量的去离子水，配制0.01-0.1mol/L的盐溶液，超声一定时间保证溶液均匀分散。

优选地，所述过渡金属盐溶液为锰基盐溶液。

优选地，所述锰基盐溶液浓度为0.03-0.06mol/L。

进一步，所述的不同阴离子锰基盐溶液，采用如下步骤制备：