一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用；梯度亲钠碳材料的制备方法包括以下步骤：(1)碳点的生成：将苦荞粉末在空气氛围下炭化，炭化温度为200～400℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的碳前驱体；(2)炭化：将碳点掺杂的碳前驱体在惰性气体氛围下再次炭化，炭化温度为700～1000℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的三维碳骨架材料，即为梯度亲钠碳材料。本发明专利技术的梯度亲钠碳材料可以为金属钠的沉积提供足够的空间，同时能够有效抑制钠枝晶的生长。时能够有效抑制钠枝晶的生长。时能够有效抑制钠枝晶的生长。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用


[0001]本专利技术属于钠金属二次电池
，具体涉及一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用。

技术介绍

[0002]作为新型二次电池技术，钠金属电池具有资源丰富、成本低廉、安全性高和高低温性能优异等优点，被视为对下一代高能量锂金属电池的一种补充或替代。然而，钠金属负极在循环过程中也存在着一些问题，其中最为严重的是钠枝晶的形成。钠枝晶是指在不均匀的电场分布下，钠金属沉积时产生的不规则分支状结构。钠枝晶不仅会穿透隔膜造成内部短路和安全隐患，还会导致有效活性物质的损失和固体电解质中间相层的破坏而降低循环性能。因此，如何抑制或消除钠枝晶问题是实现钠金属负极稳定循环和商业化应用的关键所在。
[0003]相关研究表明，负极材料的结构设计可以有效抑制枝晶的生长。钠金属电池中，钠金属的枝晶问题主要是由于钠金属在电极表面析出并且生长形成的。因此，通过使用导电基体、表面改性、孔结构设计等方式，来改变钠金属负极的形貌和界面特征，可以有效减缓钠金属的析出和生长，从而抑制枝晶的生长。碳材料具有资源丰富、成本低廉、导电性优异和可控的微观结构等优点，在稳定钠金属负极方面显示出了巨大的潜力，是作为金属钠沉积骨架的理想材料。因此，调控碳材料的结构可以为解决钠金属电池中枝晶问题提供一种新的方法和思路。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术的目的是提供一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用，可以为金属钠的沉积提供足够的空间，同时能够有效抑制钠枝晶的生长。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：
[0006]本专利技术公开了一种梯度亲钠碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)碳点的生成：将苦荞粉末在空气氛围下炭化，炭化温度为200～400℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的碳前驱体；
[0008](2)炭化：将碳点掺杂的碳前驱体在惰性气体氛围下再次炭化，炭化温度为700～1000℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的三维碳骨架材料，即为梯度亲钠碳材料。
[0009]作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，苦荞粉末由苦荞清洗、烘干、粉碎后制得。
[0010]作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，升温速率为3～10℃min
‑1。
[0011]作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，所得产物用HCl溶液和水洗涤去除杂质，然后过滤、干燥。
[0012]作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，升温速率为3～10℃min
‑1。
[0013]本专利技术还公开了上述制备方法制备的梯度亲钠碳材料。
[0014]本专利技术还公开了梯度亲钠碳材料作为钠金属二次电池负极材料的应用。
[0015]本专利技术的有益效果在于：
[0016]1、本专利技术的材料由高度石墨化的碳点和高度无序的三维碳骨架构成，二者相互结合形成梯度亲钠的结构，其中碳材料的三维多孔结构可以为金属钠的沉积提供足够的空间，缓解循环过程中的体积膨胀；
[0017]2、由于碳点的存在，降低了部分位点的亲钠性，钠金属会优先沉积在无序程度更高的非碳点位置，然后逐渐扩散到碳点区域，最终平铺到整个电极，从而有效抑制钠枝晶的生长，显著提高钠金属电池的循环稳定性。
附图说明
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：
[0019]图1为实施例1制备的梯度亲钠碳材料的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图。
[0020]图2为实施例1制备的梯度亲钠碳材料的透射电镜(TEM)图。
[0021]图3为实施例1和对比例1制备的碳材料的拉曼光谱图。
[0022]图4为实施例1和对比例1的纽扣电池在1mA cm
‑2和1mAh测试条件下的库伦效率。
[0023]图5为实施例1的纽扣电池在1mA cm
‑2和1mAh测试条件下的充放电曲线。
具体实施方式
[0024]下面将结合实施例，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。所描述的实施例仅为本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，本专利技术的范围不应被解释为限于下面描述的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本专利技术保护的范围。
[0025]实施例1
[0026]一种梯度亲钠碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0027]步骤一、反应物的预处理：取适量的苦荞，用去离子水反复清洗，烘干，然后用粉碎机粉碎成粉末状。
[0028]步骤二、碳点的生成：把步骤一得到的粉末状苦荞置于马弗炉中，在空气氛围下，以5℃min
‑1的升温速率加热至300℃，保温2h，自然冷却至室温。
[0029]步骤三、炭化：将步骤二得到的产物置于管式炉中，在惰性气体氛围下，以5℃min
‑1的升温速率加热至900℃，保温2h，自然冷却至室温。
[0030]步骤四、去除杂质：将步骤三得到的产物取出、研磨，用过量的1M HCl溶液和去离子水洗涤、过滤，干燥后得到碳点原位掺杂三维碳骨架的梯度亲钠碳材料。
[0031]对比例1
[0032]一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0033]步骤一、反应物的预处理：取适量的苦荞，用去离子水反复清洗，烘干，然后用粉碎机粉碎成粉末状。
[0034]步骤二、炭化：将步骤一得到的粉末状苦荞置于管式炉中，在惰性气体氛围下，以5℃min
‑1的升温速率加热至900℃，保温2h，自然冷却至室温。
[0035]步骤三、去除杂质：将步骤二得到的产物取出、研磨，用过量的1M HCl溶液和去离子水洗涤、过滤，干燥后得到三维碳骨架材料。
[0036]图1为实施例1制备的梯度亲钠碳材料的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图，可以看出其拥有三维多孔的结构，这可以为金属钠的沉积提供充足的空间，缓解循环过程中的引起的电极材料的体积膨胀和收缩。
[0037]图2为实施例1制备的梯度亲钠碳材料的透射电镜(TEM)图，其中高度石墨化的碳点和高度无序的三维碳骨架相结合，构成梯度亲钠的结构，这种梯度亲钠的微观结构能够诱导钠金属均匀有序的沉积，从而达到抑制枝晶的生长。
[0038]图3为实施例1和对比例1制备的碳材料的拉曼光谱图，可以得知高度石墨化和低缺陷浓度的碳点被成功引入到实施例1制备的梯度亲钠碳材料中。
[0039]将实施例1和对比例1制备的碳材料分别组装成纽扣电池并测试所得材料的相关电化学性能：分别取实施例1和对比例1制备的碳材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)以8:1:1的质量比与适量的N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)混合，并将浆液研磨分散后均匀涂在铜集流器上，在真空烘箱中120℃干燥过夜制得电极片。所有电池都是在充满Ar(水和氧含量均低于0.01ppm)的手套箱中组装成2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)碳点的生成：将苦荞粉末在空气氛围下炭化，炭化温度为200～400℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的碳前驱体；(2)炭化：将碳点掺杂的碳前驱体在惰性气体氛围下再次炭化，炭化温度为700～1000℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的三维碳骨架材料，即为梯度亲钠碳材料。2.如权利要求1所述的梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，苦荞粉末由苦荞清洗、烘干、粉碎后制得。3.如权利要求1所述的梯度亲钠碳材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈久存，赵佳明，金燕子，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：