一种阴离子扩层碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种阴离子扩层碳材料及其制备方法和应用，所述扩层碳材料是以针状焦为碳源，与钠盐扩层剂混合形成溶液并水浴蒸干，所得混合物经过高温煅烧使得阴离子进入石墨层，随后用蒸馏水洗涤样品除去干扰离子，烘干即可得到高性能的钠离子电池负极材料。本发明专利技术方法制备阴离子扩层碳材料具有制备工艺简便，绿色环保，且作为钠离子电池负极材料表现出优异的循环性能及大倍率充放电性能，在能量存储领域有着广阔的应用前景。

A kind of anion expanding carbon material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种阴离子扩层碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及钠离子电池负极材料
，具体地，涉及一种用于钠离子电池负极的阴离子扩层碳材料的制备方法。
技术介绍
随着可再生能源(如风能、太阳能等)在世界范围内的快速发展，锂离子电池由于其优异的电化学性能和诸多优点受到了广泛关注。锂资源的稀缺性、分布不均匀以及逐年上升的锂消耗量导致锂离子电池的价格偏高，限制了锂离子电池在智能电网等大规模储能体系中的应用。因此，寻找一种低成本且可持续发展的替代物变得尤为关键。同属于碱金属元素的钠具有与锂相似的理化性质，其储量丰富，分布广泛且价格低廉，是极具前景的新型储能器件。此外，Na+/Na(-2.71Vvs标准电极电位)有着与Li+/Li(-3.04V)相似的氧化还原电位。然而，由于钠离子比锂离子半径大使得其反应动力学较慢，且在负极材料中的脱/嵌过程更为困难。因此钠离子电池的能量密度会普遍低于锂离子电池的能量密度。基于此，研究开发可媲美锂电的高能量密度，长寿命的电极材料受到了广泛的关注。目前钠离子电池负极材料研究较多的主要分为碳基类及非碳基类材料，非碳材料包括金属氧化物及合金类，虽然其具有高的理论容量，但其导电性差且循环性能不稳定；相较于非碳基材料，碳基负极材料资源丰富，有着优良的导电性以及良好的理论容量，且制备过程容易。从资源和成本以及各项性能来看，碳材料看起来是最有前途的一种负极材料。针状焦作为一种传统大宗碳材料，表面呈纤维状结构，具有低成本、低灰分、低孔隙度、低膨胀系数、高导电率及易石墨化等一系列优点。然而，针状焦的层间距只有0.34nm左右，而钠离子电池中钠离子要进行自由脱嵌的层间距至少为0.37nm，因此扩大针状焦的层间距使其适合钠离子的脱嵌是至关重要的。在目前的研究中，Wen等([J].Naturecommunications,2014,5,4033)采用改进的Hummer's法将天然石墨氧化成氧化石墨，并对氧化石墨进行部分还原得到膨胀石墨，在20mAg-1电流密度下的可逆容量为284mAhg-1。Fu等([J].Nanoscale,2014,3,1384-1389)通过热解经前处理的聚吡咯得到氮掺杂的多孔碳纤维，再通过KOH活化后得到层间距为0.40nm的氮掺杂多孔碳纤维，在50mAg-1电流密度下可以达到296mAhg-1的可逆容量。相较上述扩层方法，阴离子扩层方法简单，制备容易，并且对材料的性能也有很大的提升。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种制备工艺简单，循环性能稳定且优异的阴离子扩层碳材料用于钠离子电池负极材料。本专利技术所采取的技术方案如下。一种阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，用适量的醇类有机溶剂将碳材料充分溶解，加入扩层剂钠盐，然后将混合物置于带有超声装置的搅拌器中进行搅拌、超声处理，再将处理后的混合物在水浴锅中旋转蒸干，得到固体产物，再将得到的固体产物置于管式炉中煅烧，最后将煅烧后产物水洗至中性，干燥，得到的固态产品即为碳层间距增大且碳层表面具有缺陷的阴离子扩层碳材料。如上所述制备方法，其特征在于，所述碳材料为煤基针状焦，所述醇类有机溶剂为乙醇，所述扩层剂钠盐为NaCl、NaNO3、NaCO3、Na2SiO3中的任意一种。如上所述的制备方法，其特征在于，加入扩层剂钠盐后，搅拌、超声处理的步骤为，将有机溶剂充分溶解的煤基碳材料与扩层剂钠盐的混合物置于搅拌器中搅拌4～6h，之后超声处理2～4h；制备方法中，所述扩层剂钠盐的添加比例为，扩层剂钠盐与碳材料的摩尔比为0.002～0.01。如上所述的制备方法，其特征在于，将混合物在水浴锅中旋转蒸干的步骤为，利用水浴锅，在温度为60℃的条件下，蒸发8～12h。如上所述的制备方法，其特征在于，固体混合物置于管式炉中煅烧的步骤为，空气气氛下于温度为300℃的条件下，热处理0.5～2h。如上所述的制备方法，其特征在于，将煅烧后产物水洗至中性的步骤为，将煅烧后得到的固体物质充分溶解于大量蒸馏水中，之后进行抽滤洗涤至中性。上述制备方法制备的阴离子扩层碳材料，其特征在于，所述阴离子扩层碳材料的层间距为0.37～0.40nm，阴离子与碳的摩尔比为1:100～500，首圈放电容量为980～1455mAhg-1，循环100圈后可逆容量为260～375mAhg-1。本专利技术还涉及上述阴离子扩层碳材料在钠离子电池领域的应用，具体技术方案为，首先将上述的阴离子扩层碳材料研磨为粒径小于10um的粉料，然后将所述粉料与碳黑、聚偏氟乙烯，按质量比为7:2:1混合并研磨均匀，滴加适量分散溶解剂N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀得到糊状物，最后将所述糊状物均匀涂覆在铜箔极片表面，在真空环境下于105～115℃干燥10～14h，制得钠离子电池负极。然后，将上述的钠离子电池负极和金属钠片正极组装为钠离子电池。与现有技术相比，本专利技术的技术优势和进步在于：(1)本专利技术提供了一种阴离子扩层碳材料的制备方法，以针状焦作为碳源，使用乙醇为分散剂，通过调节阴离子的种类以从而改变扩层效果，在阴离子嵌入石墨层间后，针状焦的碳层间距有了增大，有利于钠离子的脱嵌，并且会在材料表面造成一定的缺陷，但一定程度上仍然保持了针状焦的石墨结构，这种表面结构使得本专利技术方法所制备的阴离子扩层针状焦不仅具有适合钠离子脱嵌的层间距，并且表面的缺陷也为钠离子提供了吸附位点，从而提升了阴离子扩层碳材料作为钠离子电池负极原料的电化学性能。(2)采用本专利技术方法所制备的阴离子扩层碳材料进一步制备的电池负极材料，其层间距为0.372-0.391nm，首圈放电容量为989.86～1452.56mAhg-1，循环100圈后可逆容量为260.63～370.52mAhg-1，相较于原始的煤基针状焦，阴离子扩层后其循环100圈后的可逆容量提升了36～75％，钠离子电池的循环稳定性和寿命也得到了明显的改善。此外，采用阴离子扩层针状焦的制备方法，以及该方法所制备的阴离子扩层针状焦进一步制备钠离子电池负极的方法，具有工艺流程简便，制备方式绿色环保，安全性高，且作为钠离子电池负极材料表现出优异的循环性能以及倍率充放电性能，在能量存储领域有很大的发展潜力。附图说明图1为实施例1制备得到的阴离子扩层针状焦与煤基针状焦的透射电环境图(TEM)。图2为实施例1和对比例的X-射线衍射图谱(XRD)。图3为实施例4制备得到的阴离子扩层针状焦的充放电曲线图。具体实施方式下面通过具体实施例结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1称取1.2g针状焦置于烧杯中，随后用量筒量取80mL乙醇加入到上述烧杯中，搅拌2h后使其完全溶解形成针状焦溶液，再加入0.2.922gNaCl，搅拌4h使其均匀混合，之后超声处理2h提高其分散性。将其置于60℃水浴锅当中水浴蒸干10h使蒸馏水完全蒸发，将得到的固体放入干燥箱中60℃烘干。将上述得到的固体研磨为粉末，将其置于管式炉内，空气气氛下300℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，先用适量的醇类有机溶剂将碳材料充分溶解，加入适量扩层剂钠盐，然后将混合物置于带有超声装置的搅拌器中依次搅拌4～6h、超声处理2～4h，再将处理后的混合物转移到水浴锅中旋转蒸干，再将水浴锅中旋转蒸干得到的固体产物置于管式炉中于空气气氛下在300℃煅烧0.5～2h，最后将煅烧后产物去除干扰离子，干燥，得到碳与阴离子的摩尔比为1:100～500、碳层间距为0.37～0.40nm且表面有钠离子吸附位点的阴离子扩层碳材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，先用适量的醇类有机溶剂将碳材料充分溶解，加入适量扩层剂钠盐，然后将混合物置于带有超声装置的搅拌器中依次搅拌4～6h、超声处理2～4h，再将处理后的混合物转移到水浴锅中旋转蒸干，再将水浴锅中旋转蒸干得到的固体产物置于管式炉中于空气气氛下在300℃煅烧0.5～2h，最后将煅烧后产物去除干扰离子，干燥，得到碳与阴离子的摩尔比为1:100～500、碳层间距为0.37～0.40nm且表面有钠离子吸附位点的阴离子扩层碳材料。


2.根据权利要求1所述的阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，将混合物在水浴锅中旋转蒸干的步骤为，利用水浴锅，在温度为60℃的条件下，蒸发8～12h。


3.根据权利要求1所述的阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，煅烧后产物去除干扰离子的过程为，将煅烧后得到的固体物质充分溶解于大量蒸馏水中，之后进行抽滤洗涤洗至中性。


4.根据权利要求2或3所述的阴离子扩层碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳材料为煤基针状焦，所述醇类有机溶剂为乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵翰庆，赵丹，李忠，叶建岐，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14