一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用技术

本发明专利技术涉及一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用

【技术实现步骤摘要】
一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用


[0001]本专利技术涉及一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用，属于电池制造

。

技术介绍

[0002][0003]新兴的钠离子电池技术由于具有更低的成本和更高的安全性等优势，在新能源汽车和储能电网等多个领域有望代替锂离子电池，是一种颇具前景的电池技术
。
但是钠离子的离子半径比锂离子大，钠离子在电池充放电过程中扩散运动缓慢，且现有电极材料体积变化剧烈，储钠性能不佳，很难获得良好的电化学性能
。
研究发现，硬碳具有各向同性的结构特征，微观结构呈非晶态，层间距较大，里面能嵌入钠离子的孔洞比较多，并且硬碳的无序结构使得其拥有更多的缺陷
、
空位，即具有更多的储钠活性位点，因此具有较高的储钠能力，因而被看作是最有希望推动钠离子产业化的关键负极材料
。
因此，研发储钠效率更高且廉价稳定的硬碳材料，是迈向钠离子电池规模化应用的关键一步
。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题：针对现有硬碳材料容量低和首效低，等问题，本专利技术提供可一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用，具有大规模生产的可行性
。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种硬碳负极材料的制备方法，包括：以糖类为碳源前驱体，酚醛系阳离子交换树脂为载体材料，先将糖类溶液分散在酚醛系阳离子交换树脂内部，再经
1300
～
1500℃
下高温碳化，得到所述硬碳负极材料
。
[0006]较佳的，所述糖类包括葡萄糖
、
麦芽糖
、
乳糖
、
果糖
、
蔗糖
、
淀粉
、
纤维素
、
糖原
、
粘多糖
、
半纤维素和木糖中的至少一种，优选蔗糖
、
葡萄糖或淀粉
。
[0007]较佳的，所述糖类溶液的浓度为1～
50wt
％
。
[0008]较佳的，所述糖类溶液的溶剂包括蒸馏水，乙醇和丙酮中的至少一种或两种中的至少一种
。
[0009]较佳的，所述酚醛系阳离子交换树脂为弱酸性阳离子交换树脂；优选地，弱酸性阳离子交换树脂含有弱酸性交换基团；更优选地，所述弱酸性交换基团包括羧酸基
—COOH、
磷酸基
—PO2H2、
酚基中至少一种
。
[0010]较佳的，所述分散的方式为搅拌；所述搅拌的转速为
250
～
500
转
/
分钟，时间2～
12
小时
。
[0011]较佳的，所述糖类和阳离子交换树脂的质量比为1：
(0.1
～
99)。
若是糖类过量，容量降低；阳离子交换树脂容量和首效降低
。
[0012]较佳的，所述高温碳化的时间为1～
12
小时
。
[0013]较佳的，所述高温碳化的升温速率为1～
20℃/
分钟
。
[0014]较佳的，所述高温碳化的气氛为保护气氛，优选包括
Ar、N2、He、H2、NH3、CO2中的至少一种
。
[0015]另一方面，本专利技术提供了一种根据上述制备方法制备的硬碳负极材料
。
[0016]再一方面，本专利技术提供了一种硬碳负极材料在钠离子电池中的应用
。
[0017]本专利技术的有益效果：本专利技术中，糖类前驱体碳化过程体积膨胀严重，引入酚醛系阳离子交换树脂可有效改善糖类前驱体的体积膨胀问题，同时可实现高的首效和充电容量的目标；本专利技术中，酚醛系阳离子交换树脂比表面积较大，糖类前驱体引入合成的硬碳负极材料具有低的比表面积
(
＜
5m2/g)
；本专利技术中，合成工艺流程简单，原材料成本便宜，具有产业化前景；本专利技术中，酚醛系阳离子交换树脂具有大量的内部孔径，糖类会与酚醛系阳离子交换树脂相互作用，可以改善糖类碳化体积膨胀问题；糖类可以注入到酚醛系阳离子交换树脂内部孔径内部，形成包覆，使其开孔转化为封闭的纳米孔，从而提高储钠容量
。
附图说明
[0018]图1为实施例1制备的硬碳负极材料的
XRD
图；图2为实施例1制备的硬碳负极材料的电化学性能图
。
具体实施方式
[0019]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术
。
[0020]本公开中，采用以糖类为碳源前驱体，酚醛系阳离子交换树脂为载体材料，通过碳源前驱体溶液分散在酚醛系阳离子交换树脂内部，高温碳化制备硬碳负极材料
。
[0021]本专利技术中，将硬碳负极材料作为钠离子电池负极材料应用，其展现出高的容量和首次库伦效率
。
[0022]下面进一步例举实施例以详细说明本专利技术
。
同样应理解，以下实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，本领域的技术人员根据本专利技术的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本专利技术的保护范围
。
下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值
。
[0023]实施例1将
100g
蔗糖分散在
50mL
水溶液中，将其与
100g
酚醛系阳离子交换树脂
250
转
/
分钟搅拌分散6小时，
100℃
烘干
。
将混合好的复合材料放入
N2气氛的管式炉中，
3℃
每分钟升温到
1400℃
保温3小时
。
冷却到室温，即可获得硬碳负极材料
。
钠离子电池用硬碳负极材料作为负极材料，钠作为正极，电解液为
1Mol NaFP6溶于
EC
：
DMC(1:1)
，隔膜为
celgard2400
，来进行电化学测试，如图1为合成的硬碳负极材料的
XRD
图和电化学性能
。
此硬碳负极材料在
30mA g
‑1电流密度下首次放电比容量
335.2mAh g
‑1，首效
90.5
％
。
[0024]实施例2将
200g
葡萄糖分散在
50mL
水溶液中，将其与
100g
酚醛系阳离子交换树脂
350
转
/
分
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括：以糖类为碳源前驱体，酚醛系阳离子交换树脂为载体材料，先将糖类溶液分散在酚醛系阳离子交换树脂内部，再经
1300
～
1500℃
下高温碳化，得到所述硬碳负极材料
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述糖类包括葡萄糖
、
麦芽糖
、
乳糖
、
果糖
、
蔗糖
、
淀粉
、
纤维素
、
糖原
、
粘多糖
、
半纤维素和木糖中的至少一种；所述糖类溶液的浓度为1％～
50wt
％；所述糖类溶液的溶剂包括蒸馏水，乙醇和丙酮中的至少一种
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酚醛系阳离子交换树脂为弱酸性阳离子交换树脂；优选地，所述弱酸性阳离子交换树脂含有弱酸性交换基团；更优选地，所述弱酸性交换基团包括羧酸基
—COOH、
磷酸基
—PO2H2、
酚基中...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭清彬，李忆秋，李礼，赵高超，苏道东，
申请(专利权)人：泰安市法拉第能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：