双模板法合成的三维碳基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于钠离子电池负极材料技术领域，公开了双模板法合成的三维碳基复合材料及其制备方法和应用；所述制备方法为将硬模板、碳源、硼酸均匀分散于溶剂中，搅拌6～24h后，去除溶剂，获得前驱体材料；将前驱体材料与金属镁研磨混匀后，于500～700℃的温度下烧结0.5～4h，去除硬模板，获得三维碳基复合材料。本发明专利技术以硬模板作为孔模板，为后续碳源形成多孔碳提供前提条件，以硼酸作为硼源和辅助造孔模板，通过烧结处理使得碳源在硬模板上形成多孔碳材料，同时氧化硼在烧结条件下与镁作用后，在碳源形成的多孔碳材料中产生中孔结构，进而为Na

【技术实现步骤摘要】
双模板法合成的三维碳基复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池负极材料
，尤其涉及一种双模板法合成的三维碳基复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，全球能源需求日益增长，新能源器件的需求也随之增长。锂离子电池凭借其良好的电化学储能效果，被广泛应用于一些电子设备和电动汽车等方面。然而，随着锂离子电池的发展，锂资源逐渐匮乏，其价格也随之增高。
[0003]为了解决上述问题，本领域技术人员开始寻求能够替代锂离子电池的材料，钠离子电池由于与锂离子电池储能技术具有一定的相似性，且钠储量相较于锂储量而言更加丰富，使得钠离子电池成为能够代替锂离子电池的理想选择。
[0004]现有技术中，由于石墨材料在锂离子电池中的成功应用，本领域技术人员也希望采用石墨或改性石墨进行储钠，然而，钠离子由于其半径和质量均大于锂离子，使得钠离子在制备钠离子负极材料时，钠离子的嵌入和脱出均有可能造成钠离子负极材料较大的体积膨胀，不利于钠离子负极材料结构的稳定，进而使其性能变差。
[0005]为了解决石墨储钠的问题，本领域技术人员提出采用静电纺丝技术将金属氧化物与碳材料制成纤维复合材料，以改善钠离子电池的循环稳定性，然而，专利技术人发现，这种方法虽然能够一定程度上改善钠离子电池的循环稳定性，但是由于纤维复合材料的一维结构特点，无法有效提升钠离子电池的容量，进而无法有效改善钠离子电池的整体储能效果。
[0006]为此，本专利技术提供一种双模板法合成三维碳基复合材料及其制备方法和应用。

技术实现思路

[0007]为了解决上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种双模板法合成三维碳基复合材料及其制备方法和应用。
[0008]本专利技术的一种双模板法合成三维碳基复合材料及其制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术的第一个目的是提供一种三维碳基复合材料的制备方法，所述制备方法基于双模板法进行制备，且其包括以下步骤：
[0010]步骤1，将硬模板、碳源、硼酸均匀分散于溶剂中，搅拌6～24h后，去除溶剂，获得前驱体材料；
[0011]步骤2，将前驱体材料与金属镁研磨混匀后，于500～700℃的温度下烧结处理0.5～4h，随后去除所述硬模板，获得所述三维碳基复合材料。.
[0012]进一步地，所述硬模板为NaCl、埃洛石纳米管和SiO2中的任意一种。
[0013]进一步地，所述埃洛石纳米管为改性埃洛石纳米管，且所述改性埃洛石纳米管通过以下步骤获得：
[0014]将埃洛石纳米管粉末微波加热至95～115℃并保温0.5～5min，获得改性埃洛石纳
米管。
[0015]进一步地，所述碳源为氧化石墨烯、葡萄糖和柠檬酸中的任意一种。
[0016]进一步地，步骤1中，所述溶剂为水、乙醇中的一种或两种。
[0017]进一步地，所述硬模板与所述碳源的用量比为1mmol:30～50mg；
[0018]所述硼酸与所述碳源的用量比为4～12mmol:1g。
[0019]进一步地，所述溶剂与所述碳源的用量比为20～50mL:1g。
[0020]进一步地，所述金属镁与所述硼酸的摩尔比为0.9～1.5:1。
[0021]本专利技术的第二个目的是提供一种上述制备方法制备的三维碳基复合材料。
[0022]本专利技术的第三个目的是提供一种上述三维碳基复合材料在钠离子电池负极材料中的应用。
[0023]本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0024]本专利技术以硬模板作为主孔模板，为后续碳源形成多孔碳提供前提条件，以硼酸作为硼源和辅助造孔模板，通过烧结处理使得碳源在硬模板上形成多孔碳材料，同时氧化硼在烧结条件下与镁作用后，在碳源形成的多孔碳材料中产生中孔结构，孔形成的同时与B(硼)掺杂有利于B在暴露孔表面上的均匀分布，B掺杂产生的大表面积和更多的活性位点、短的离子扩散长度和3D分级多孔碳结构提供的连续电子传输途径，进而为Na
+
的嵌入提供了良好的环境，获得三维碳基复合材料。
[0025]本专利技术通过采用“硬模板+硼酸”的双模板法，将双模板与碳源混匀后通过烧结处理获得三维碳基复合材料，制备方法简单易操作，且制备的三维碳基复合材料具有大表面积和多活性位点的，用于钠离子电池后，不仅能够改善钠离子电池的循环稳定性，还有利于有效提升钠离子电池的容量，进而有效改善钠离子电池的整体储能效果。
附图说明
[0026]图1为由本专利技术实施例1制备的三维碳基复合材料制成的电池，在0.25A/g的充放电电流密度下的电化学循环稳定性能测试结果；
[0027]图2为由本专利技术实施例1制备的三维碳基复合材料制成的电池，在充放电电流密度依次为0.25、0.5、1、2、4、8、0.25A/g，截至充放电电压0.01～3V的倍率性能测试结果。
具体实施方式
[0028]下面将结合说明书附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0029]实施例1
[0030]本实施例提供一种三维碳基复合材料，且其制备方法如下：
[0031]步骤1，将硬模板、碳源、硼酸均匀分散于溶剂中，随后搅拌反应一段时间后，去除溶剂，获得前驱体材料；
[0032]本专利技术中不限制硬模板的具体类型，只要能够作为孔模板，为后续碳源形成多孔碳提供前提条件，并且能够通过后续处理将其除去即可。本实施例中，可选的，采用NaCl作为硬模板，并称取10～30gNaCl备用。
[0033]本专利技术中不限制碳源的具体类型，只要能够提供碳，使得其在后续烧结处理过程中能够在硬模板上形成多孔碳材料即可。本实施例中，可选的，采用氧化石墨烯作为碳源，
并称取1g氧化石墨烯粉末备用。
[0034]本专利技术不限制溶剂的具体类型，只要是便于挥发的溶剂，同时对各个反应原料具有好的溶解性即可。本实施例中，可选的采用去离子水作为溶剂，并量取20～50mL备用。
[0035]本专利技术不限制硼酸的具体用量，根据碳源的用量的用量进行灵活调整即可，但是为了能够实现硼酸作为硼源和辅助造孔模板的作用，本专利技术优选的，将硼酸的用量控制在：硼酸与碳源的用量比为4～12mmol:1g的范围内。
[0036]本专利技术中不限制分散的具体方式，只要能够使得硬模板、碳源、硼酸均匀分散于溶剂中即可。本实施例中，可选的采用超声的方式进行分散，且具体的将10～30gNaCl、1g氧化石墨烯粉末和4～12mmol硼酸置于20～50mL的去离子水中，并以600～750W的超声功率超声10～60min，获得混合溶液。
[0037]本专利技术中不限制搅拌反应的具体搅拌速率和搅拌时间，只要使上述混合溶液中各个反应原料充分接触反应即可。本实施例中，可选的，以300～500r/min的搅拌速率搅拌上述混合溶液使其反应6～24h。本专利技术通过超声分散结合搅拌反应处理，使得氧化石墨烯与NaCl均匀混合，进而使得氧化石墨烯能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维碳基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将硬模板、碳源、硼酸均匀分散于溶剂中，搅拌6～24h后，去除溶剂，获得前驱体材料；步骤2，将前驱体材料与金属镁研磨混匀后，于500～700℃的温度下烧结处理0.5～4h，随后去除所述硬模板，获得所述三维碳基复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硬模板为NaCl、埃洛石纳米管和SiO2中的任意一种。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述埃洛石纳米管为改性埃洛石纳米管，且所述改性埃洛石纳米管通过以下步骤获得：将埃洛石纳米管粉末微波加热至95～115℃并保温0.5～5min，获得改性埃洛石纳米管。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪若冰，汪秀，周琳，王斌，朱强，胡文君，陈犁，王宏伟，方皓文，
申请(专利权)人：桐城师范高等专科学校，
类型：发明
国别省市：