[发明专利]一种钠离子电池电极材料预SEI膜硬碳材料及其应用

说明书

本发明涉及一种钠离子电池电极材料预SEI膜硬碳材料的制备和应用，将锂盐与钠盐边搅拌边加入到加热的有机溶剂中，持续搅拌直到得到均匀且无可视颗粒的分散液；向所述分散液中加入硬碳粉体材料，并依据设置搅拌速度、加热温度和搅拌反应预定时间，得到预SEI化硬碳材料。再通过过滤、洗涤、煅烧去除表面残留的有机溶剂。本发明材料有投资少、制备工艺流程简单、易于工业化生产、产品一致性高、产品预SEI膜化程度易调节等特点。此外，本发明采用优化的负极片配方和结构设计，使得钠离子电池具备低内阻特征，电池可进行大电流充放电，电池循环性能好，首次充放电效率高，特别是可用作大倍率电动工具，园林工具等动力电源。

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，具体涉及一种钠离子电池负极材料预钠化的硬碳负极材料及其应用。

背景技术

近年来，与锂离子电池相似的钠离子电池由于其低成本，电解液中快的离子传导性以及接近于锂的低标准氧化还原电位（-2.71 V相对于标准电极电位）近年来引起了极大的关注度。在钠离子电池中，除了无机化合物还有大量的有机化合物可以作为负极材料而得到人们的研究，但硬碳因其比容量高、电压平台和成本低等优点成为高性能钠离子电池最有应用前景的负极材料。 2000 年，Dahn 等首次报道了将葡萄糖热解硬碳作为钠离子电池的负极材料，发现该材料具有 300 mA·h/g以上的可逆比容量，远超于石墨和软碳材料。但硬碳作为钠离子电池负极材料最主要的缺点是存在很大的不可逆容量，因此在首次的充电过程中会消耗大量的钠离子。

为了弥补负极的不可逆容量可以对硬碳材料进行预SEI（Solid ElectrolyteInterface）膜化。这种SEI膜能阻止有机溶剂进入碳晶格层之间的间隙，可以有 效地抑制电解液溶剂对硬碳表面结构的剥离及电化学氧化作用等不良现象，提高碳结构的稳定性以及循环可逆性。目前负极预钠化的方法主要有：电化学法、直接接触法、含钠有机溶液浸泡法等。专利CN201710540148.8中，西南大学公开了直接接触法—直接将Na金属挤压在负极表面，操作复杂，对原材料工艺水平要求较高，与电化学法一样，存在难以实现商业化的局限。因此，开发、优化简单易行的预嵌钠工艺方法对于制备具有高循环容量与倍率性能的硬碳钠离子电池负极材料具有重要的实际意义。专利CN202011473686.8中，合肥工业大学采用了两种溶液（含钠溶液+有机溶剂）浸泡法对负极片进行预钠化，使得钠离子电池的循环寿命和初始库伦效率都得到了显著的提高。清华大学深圳国际研究生院的吕伟等人在专利CN113178548A中表明，他们制备出了预钠化石墨烯负极极片在钠离子电池中优异的倍率性能和超过96.8%的ICE，再次证实了含钠溶液浸泡法的可行性。

然而，用于钠离子电池的锂与钠共形成SEI膜作用的硬碳和预锂化硬碳还未有人探讨过。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可以改善钠离子电池阻抗，循环性能和首效的方法。通过对硬碳负极粉体材料有机或无机含钠和锂盐溶液浸泡进行预SEI，可以减少后期钠离子电池循环过程中的钠部分不可逆损失。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钠离子电池电极材料预嵌钠硬碳，其制备工艺：将锂盐和钠盐边搅拌边加入到加热的有机溶剂中，搅拌分散；向所述分散液中加入硬碳粉体材料，并依据设置搅拌速度、加热温度和搅拌反应预定时间，得到预SEI膜化硬碳材料。再通过过滤、洗涤、煅烧去除表面残留的有机溶剂。

一种钠离子电池电极材料预嵌钠硬碳，其制备工艺：将锂盐和钠盐边搅拌边加入到加热的硅油或者油胺溶剂中，搅拌分散；向所述分散液中加入粒径在5~60 μm的硬碳粉体材料，所述的硬碳和锂盐、钠盐混合盐的摩尔比为 1:2~10 ；配制的分散液的浓度为1~50g/L。并依据设置搅拌速度在150~600 rpm、加热温度在60~150℃之间和搅拌反应预定时间为15min~4h，得到预SEI膜化硬碳材料。过滤后，再通过正己烷和无水乙醇洗涤过滤3次，烘干后在惰性气氛下，在200-500℃，煅烧预SEI膜化硬碳材料1.5h-8h。