一种高功率沥青基钠离子电池碳负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于二次电池技术领域，具体涉及一种面向高功率应用的沥青基钠离子电池碳负极材料及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种高功率沥青基钠离子电池碳负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于二次电池
，尤其涉及一种沥青基钠离子电池碳负极材料的制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]钠离子电池作为一种新型二次电池，与目前商业化的锂离子电池相比，具有成本低廉
、
资源丰富
、
低温性能以及安全性好等优点，在低速电动车
、
大规模储能等领域有着良好的应用前景
。
然而由于钠离子半径比锂离子大，钠离子不能像锂离子一样在石墨层间可逆的嵌入
/
脱出，因此需要寻找新的材料作为钠离子电池负极
。
硬碳材料由于结构无序
、
碳层间距大，富含大量微孔有利于钠离子的可逆存储，成为了钠离子电池最具产业化前景的负极材料
。
沥青资源丰富，价格低廉，含碳量高，是一种优质的碳前驱体
。
然而沥青基碳材料微晶结构相对规整，无法直接用作钠离子电池负极
。
提高沥青基碳材料的无序度
、
增大层间距以及调控孔结构是提高其储钠性能的有效方法
。
[0003]硬碳材料的低电位平台容量被认为是提高钠离子电池能量密度的关键，而高电位斜线容量则能提高功率密度
。
但是目前的制备方法无法同时兼顾斜线容量和平台容量
。
比如，高温碳化能提高平台容量，但是会消除缺陷降低斜线容量；而低温碳化虽保留了硬碳前驱体的固有缺陷，但是过大的层间距和开放的孔隙无法提供平台容量
。
[0004]鉴于此，有必要提供一种兼顾平台容量和斜线容量的沥青基钠离子电池硬碳负极材料制备方法
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种沥青基钠离子电池碳负极材料的制备方法和应用
。
该方法通过预氧化处理，在沥青表面引入大量含氧官能团，这些含氧官能团会抑制沥青在后续碳化过程中的结构重排，从而得到无序的微晶结构，同时热处理过程中氧原子的逸出会使石墨体相变的疏松，这使得活化剂能进入石墨微区进行活化刻蚀反应，得到孔径小于
1.5nm
的超微孔碳，最终碳材料中的超微孔
、
缺陷和无序微晶结构为所述沥青基碳材料提供了吸附储钠和嵌入储钠的活性位点，分别对应充放电曲线上的斜线区和平台区
。
将本专利技术所述沥青基碳材料用作钠离子电池负极，表现出了高的储钠容量和优异的倍率性能
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种沥青基钠离子电池碳负极材料的制备方法，包括：
[0007](1)
将沥青在含氧氛围中低温氧化，得到预氧化沥青
。
[0008](2)
将所述步骤
(1)
得到预氧化沥青和活化剂混合，在惰性气氛中高温碳化，后酸洗去除活化剂，得到所述沥青基碳材料
。
制备的碳负极材料具有微孔结构，比表面积在
200
～
700m2/g
，
d
002
层间距为
0.36
‑
0.40nm
，准石墨相占比为
30
‑
80
％
。
[0009]优选的，所述步骤
(1)
中的沥青包括煤焦油沥青
、
石油沥青和天然沥青中的至少一
种
。
[0010]优选的，所述步骤
(1)
中含氧氛围中氧气的体积分数为
15
～
25
％
。
[0011]优选的，所述步骤
(1)
中低温氧化的温度为
200
～
400℃
，升温至所述氧化温度的升温速率为1～
20℃/min
，保温时间为4～
24h。
[0012]优选的，所述步骤
(2)
中活化剂包括氢氧化钠
、
氢氧化钾
、
碳酸钾
、
碳酸钠
、
碳酸氢钾
、
碳酸氢钠中的至少一种
。
[0013]优选的，所述步骤
(2)
中预氧化沥青与活化剂的质量比为
1:(0.1
～
10)。
[0014]优选的，所述惰性气氛包括氮气
、
氦气
、
氩气
、
氖气和氙气中的至少一种
。
[0015]优选的，所述步骤
(2)
中的高温碳化的温度为
500
～
1000℃
，升温至所述碳化温度的升温速率为1～
10℃/min
，保温时间为
0.5
～
4h。
[0016]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的沥青基钠离子电池碳负极材料
。
[0017]本专利技术还提供了上述技术方案所述的沥青基碳材料作为钠离子电池负极材料的应用
。
[0018]本专利技术实施例提供的沥青基钠离子电池碳负极材料的制备方法：将沥青在含氧气氛中低温氧化，得到预氧化沥青，将所述预氧化沥青和活化剂混合，在惰性气氛中高温碳化，后酸洗去除活化剂，得到所述沥青基碳材料
。
通过所述预氧化处理，在沥青表面引入大量含氧官能团，这些含氧官能团会抑制沥青在后续碳化过程中的结构重排，从而得到无序的微晶结构，同时热处理过程中氧原子的逸出会使石墨体相变的疏松，这使得活化剂能进入石墨微区进行活化刻蚀反应，得到孔径小于
1.5nm
的超微孔碳，最终碳材料中的超微孔
、
缺陷和无序微晶结构为所述沥青基碳材料提供了吸附储钠和嵌入储钠的活性位点
。
将本专利技术提供的沥青基碳材料应用于钠离子电池中，分别对应充放电曲线上的斜线区和平台区
。
将本专利技术所述沥青基碳材料用作钠离子电池负极，表现出了高的储钠容量和优异的倍率性能
。
[0019]该方法具有如下优势：
[0020]第一，前驱体来源广泛，廉价易得
。
[0021]第二，该方法操作简单，预氧化和活化已实现大规模工业化
。
并且目标产物的结构可通过实验条件得到调控
。
[0022]第三，该方法能耗低，整个碳化过程温度不超过
1000℃。
[0023]第四，该方法得到的硬碳材料兼顾平台容量和斜线容量，有利于同时提高钠离子电池的能量密度和功率密度
。
附图说明
[0024]图1为实施例1得到的沥青基碳材料的等温氮气吸脱附曲线；
[0025]图2为实施例1得到的沥青基碳材料的孔径分布曲线；
[0026]图3为以实施例1得到的沥青基碳材料为电极材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高功率沥青基钠离子电池碳负极材料的制备方法，其特征包括以下步骤：
(1)
将沥青在含氧氛围中低温氧化，得到预氧化沥青
。(2)
将所述步骤
(1)
得到预氧化沥青和活化剂混合，在惰性气氛中高温碳化，后酸洗去除活化剂，得到所述沥青基碳材料
。
其中预氧化过程中引入的含氧官能团会抑制沥青在后续碳化过程中的结构重排，从而形成无序的石墨微晶，同时热处理过程中氧原子的逸出会使石墨体相由变的疏松，从而活化剂能进入石墨微区进行活化刻蚀反应，得到孔径小于
1.5nm
的超微孔碳
。
所述沥青基碳材料比表面积为
200
～
700m2/g
，
d
002
层间距为
0.36
‑
0.40nm
，准石墨相占比为
30
‑
80
％
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中的沥青包括煤焦油沥青
、
石油沥青和天然沥青中的至少一种
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中含氧氛围中氧气的体积分数为
15
～
25
％
。4.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中低温氧化的温度为
2...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐斌，俞嘉旭，孙宁，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：