一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用技术

本发明专利技术提供一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用，涉及锂离子电池和钠离子电池电极材料领域。该材料颗粒大小在1

【技术实现步骤摘要】
一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池电极材料领域，特别涉及一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池凭借其循环稳定性好、自放电小、比能量高等优点，在储能领域有着广泛的应用。随着电动汽车领域的飞速发展，人们对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。同时，锂资源储量有限、分布不均等特点也限制锂离子电池的进一步发展。钠具有与锂相似的电化学性能，而且储量丰富，因此钠离子电池有望成为锂离子电池的补充和替代。
[0003]限制锂/钠离子电池性能提升的主要因素在于电极材料，尤其是负极材料，对于锂/钠离子电池的发展至关重要。目前，广泛用于锂离子电池的负极材料主要为石墨类材料，但该类材料容量的提升受制于其372mA h/g的理论容量。研究发现，硬碳类的炭微球材料凭借其独特的形貌结构特点，表现出优异的储锂和储钠性能。首先，硬碳类材料所展现出的较大的碳层间局、丰富的微孔结构和缺陷位点，都有助于锂/钠离子的储存，从而提高材料的能量密度。另一方面，规整的球形结构使其表现出高振实密度、结构稳定以及各向同性等特点，有助于提升负极材料的体积比容量和循环稳定性。然而，硬碳材料内部间断错位的石墨微域的排布，会影响到离子和电子的传输扩散，最终影响到材料的倍率性能。对硬碳类炭微球材料进行结构改性，提升其倍率性能，成为目前锂/钠离子电池负极研究的重点。
[0004]通过添加石墨烯、碳纳米管、Mxene等高导电性材料，与硬碳类材料进行复合，是提升其倍率性能的有效手段。专利CN102544459B“氧化石墨烯包覆碳微球制备石墨烯包覆碳微球材料的方法”通过将氧化石墨烯包覆在炭微球表面，在炭微球之间构筑导电网络，从而提升材料作为锂离子电池负极的导电性能。Liyao Suo等人在《CARBON》(151,2019,1
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9)上发表的题为“Hard carbon spheres interconnected by carbon nanotubes as high
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performance anodes for sodium
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ion batteries”的文章，通过碳纳米管将碳微球连接起来，制备出葡萄状的结构，同样是通过引入高导电性的碳纳米管，来提升炭微球之间的电子和钠离子扩散速率，进而提升钠离子电池的倍率性能。
[0005]以上报道的这些改性方法在实际应用过程中，都存在着一些问题。第一，这些复合改性方法都仅限于炭微球的表面，对于炭微球内部的电子/离子扩散过程则没有任何的改善。第二，石墨烯、碳纳米管等材料普遍具有高比表面积、低密度等特点，与炭微球复合后，会降低材料整体的密度，从而影响到材料的体积比容量。第三，添加的高导电性材料普遍具有更高的反应活性，直接暴露在电解液中时，在前几次充放电过程中会消耗掉更多的电解液，导致较高的不可逆容量和较低的库伦效率。

技术实现思路

[0006]为克服上述技术所存在的问题，本专利技术目的是提供一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球及其制备方法和储能应用，其特征在于：
[0007]本专利技术所得的炭微球直径在1
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20微米之间，比表面积在50
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100m2/g之间，振实密度在0.7
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1.2g/ml之间，添加的高导电性材料均匀的嵌入并分散在球体内部，形成均匀的嵌入式导电网络，微球表面及内部均呈现褶皱结构。
[0008]所述炭微球的制备方法，其步骤为：
[0009]步骤1)：以葡萄糖或蔗糖为碳源，混合一定量的高导电性材料，一并分散至去离子水中，通过超声、搅拌等处理后，形成均匀的混合溶液；
[0010]步骤2)：量取一定量的橄榄油，在一定的搅拌速率下，将体系加热升温至100～150℃，然后将步骤1)中制备的混合溶液喷入到橄榄油中；待溶液喷完后，冷却至室温，将小球从橄榄油中分离、洗涤干燥；
[0011]步骤3)：将产物放入高温炭化炉中，在氮气氛围内加热至800～1400℃，得到最终产物。
[0012]碳源选自葡萄糖或蔗糖，高导电性材料选自碳纳米管、氧化石墨烯、Mxene等一维或二维材料中的一种或几种。
[0013]高导电性材料的质量占葡萄糖或蔗糖质量的0.1％～10％。混合溶液中蔗糖或葡萄糖的浓度为1～50mg ml
‑1。
[0014]步骤2)中喷入的混合溶液与橄榄油的体积比介于1/10～1/1之间。
[0015]本专利技术得到一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球，并将其应用于锂、钠离子电池负极材料。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的优点在于将高导电性材料嵌入到了炭微球的内部。这种嵌入式的结构可以有效提升颗粒内部的电子/离子导电性，而不仅仅是改变颗粒之间的导电性。相比于仅在外部包覆或连接式的结构，相同的添加量可以起到更好的改性效果。在这种嵌入式的结构中，分散在炭微球内部的高导电材料与炭基体间以化学键相互连接，从而使材料变得更加致密，有利于体积比容量的提升。另外，嵌入式的结构还避免了这些高反应活性的材料与电解液的直接接触，有助于保持较高的库伦效率和循环稳定性。
附图说明
[0017]附图1为本专利技术实施例1的具有嵌入式导电网络结构的炭微球的扫描电镜图；
具体实施方式
[0018]下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明，但本专利技术并不限于以下实施例。以下实施例中用作锂离子电池负极材料时电极测试的条件：所述电极组成为80％的本专利技术的炭微球、10％的乙炔黑、10％的PVDF，电解液组成为1mol LiPF6溶解在EC和DEC体积比为1:1的溶剂中。用作钠离子电池负极材料时电极测试的条件：所述电极组成为80％的本专利技术的炭微球、10％的乙炔黑、10％的PVDF，电解液组成为1mol NaPF6溶解在EC和DEC体积比为1:1的溶剂中。
[0019]实施例1
电流密度下的放电比容量可以达到419mA h g
‑1；在10A g
‑1的电流密度下放电比容量仍能保持在151mA h g
‑1。用作钠离子电池负极材料时，在0.05mA g
‑1电流密度下的放电比容量可以达到311mA h g
‑1；在10A g
‑1的电流密度下放电比容量仍能保持在109mA h g
‑1。
[0032]以上已对本专利技术的较佳实施例进行了具体说明，但本专利技术并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本专利技术精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用，其特征在于：球体直径在1
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20微米之间，比表面积在50
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100m2/g之间，振实密度在0.7
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1.2g/ml之间，添加的高导电性材料均匀的嵌入并分散在球体内部，形成均匀的嵌入式导电网络，微球表面及内部均呈现褶皱结构。2.如权利要求1所述一种具有嵌入式导电网络结构的炭微球、制备方法及其储能应用，其特征在于按下列方法制得：步骤1)：以葡萄糖或蔗糖为碳源，混合一定量的高导电性材料，一并分散至去离子水中，通过超声、搅拌等处理后，形成均匀的混合溶液；步骤2)：量取一定量的橄榄油，在一定的搅拌速率下，将体系加热升温至100～150℃，然后将步骤1)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋怀河，袁满，刘海燕，陈晓红，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：