CN102701184A - 一种钠离子电池碳负极材料 - Google Patents

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曹余良
杨汉西
钱江峰
艾新平
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Abstract

本发明公开了一类钠离子电池负极材料，为具有大层间距的碳材料，来自于热解芳香族有机物。所制备的碳材料的层间距大于0.35纳米，以适合钠离子脱嵌，这种材料具有可逆的钠离子嵌脱性能，非常有望成为价格低廉、环境友好的钠离子电池负极材料。

Description

一种钠离子电池碳负极材料
 
技术领域
本发明涉及一类钠离子电池负极材料，属于储能材料与二次电池技术领域。
背景技术
随着社会的发展和人口数量的持续增加，全球的能源需求不断提高，化石能源的消耗量随之逐年攀升。强烈依赖化石能源的能源结构给社会发展带来两方面的问题，一是化石能源无法在短期内再生，导致能源短缺问题日益严重；二是化石能源的大量消耗所引起的温室效应和环境污染问题日趋严重。因此，解决资源与环境问题已成为关乎人类社会可持续发展的两大重要课题。显然，大力开发和利用可再生能源，如太阳能、风能、地热能、潮汐能等，逐步摆脱人类对化石能源的依赖，是推动社会可持续发展的唯一可能途径。然而，这些可再生能源都需要开发和建设配套的电能储存装置（即储能电站）来保证发电、供电的连续性和稳定性。在目前储能体系中，化学储能电池由于具有灵活性、高效率和无地域限制，是最有希望的大规模储能装置。
锂离子电池作为高比能电池体系，在便携式电子产品、电动工具和电动汽车领域得到了飞速发展。然而，受锂资源的限制，可能无法支持大规模储能电源的发展。因此，发展资源丰富，成本低廉的先进电池体系，是解决未来大规模储电应用的必然出路。钠元素与锂处于同一主族,化学性质相似，电极电势也比较接近，而且钠的资源丰富，提炼成本低。如果用钠替代锂，开发出工作性能优良的钠离子电池，将拥有比锂离子电池更大的竞争优势。因此，探寻高容量及优异循环性能的储钠电极材料已成为目前电池领域的研究热点。
对于嵌钠正极材料，迄今已有些可行的报道，如含钠过渡金属氧化物（如NaxCoO2，NaxMnO2，NaNi0.5Mn0.5O2）和过渡金属氟磷酸钠盐（如NaVPO4F，Na2FePO4F）。但对于嵌钠负极材料则研究相对较少，主要是限制于具有良好嵌锂性能的石墨材料层间距（0.335纳米）较小，较大离子半径的钠离子无法有效嵌入和脱出。因此，要实现可逆钠离子嵌入和脱出，制备具有较大层间距的碳材料是关键。
 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一类具有大层间距的热解碳材料作为钠离子电池负极材料，其中热解碳源应具有芳香环结构的有机物材料，通过控制热解条件，使其具有一定的碳层间距。实验表明这类材料均具有良好的可逆钠离子脱嵌性能，具有较高的可逆容量和较好的循环性能。
    本发明的技术方案是：
一类钠离子电池碳负极材料, 由芳香族有机物热解制得，热解条件为在惰性气氛中，600~1600oC下碳化2~24小时。
其中芳香族有机物为聚苯、酚醛、糠醛、聚萘、聚蒽、沥青及它们的衍生物，但不限于此。热解碳材料的层间距大于0.35纳米，适合钠离子脱嵌。
所述的惰性气氛可以为氮气或氩气。
本发明还提供一种钠离子电池，由负极，正极，电解液及隔膜组成，其中的负极材料为本发明上述的具有大层间距的碳材料。
通过电化学测试表明，本发明方法制备的碳材料，均具有良好的钠离子嵌脱能力，且制备方法简单，原料丰富，成本低廉，非常有望成为一种实用化的钠离子电池负极材料。
附图说明
图1、是本发明实施例1的聚苯热解碳的透射电镜图。
图2、是本发明实施例1的聚苯热解碳的X射线衍射图。
图3、是本发明实施例1的聚苯热解碳的充放电曲线。
图4、是本发明实施例2的酚醛树脂热解碳的循环性能曲线。
 
具体实施方式
实施例1. 聚苯热解碳及电化学储钠性能
将聚苯材料放置于充满氮气的高温炉中，在1000oC热解6h，所得的碳材料进行透射电镜和X射线结构分析。从透射电镜上看（附图1）碳层以不规则的形式排列，层间距约为0.37纳米，X射线分析（附图2）石墨化程度较低，但仍能清楚分辨（002）和（101）晶面的峰（分别在24.3o和44.4o）。该碳材料与偏氟乙烯（PVDF）（溶于N甲基吡咯烷酮中）、乙炔黑混合按90：5：5的重量比均匀，涂覆成电极膜。以该电极膜为工作电极，金属钠片为对电极，1mol L-1NaPF6 (EC-DEC=1:1)为电解液组装成电池测试其电化学性能，图3为聚苯热解碳的恒电流充放电曲线. 如图1所示在50 mA g-1电流密度下,材料的可逆容量为229mAh g-1。 
 
实施例2. 酚醛树脂热解碳材料的制备及储钠性能
将酚醛树脂材料放置于充满氮气的高温炉中，在1200oC热解2h，所得的碳材料与偏氟乙烯（PVDF）（溶于N甲基吡咯烷酮中）、乙炔黑混合按90：5：5的重量比均匀，涂覆成电极膜。以该电极膜为工作电极，金属钠片为对电极，1mol L-1NaPF6 (EC-DEC=1:1)为电解液组装成电池测试其电化学性能，图4为酚醛树脂热解碳的恒电流循环性能曲线，电流密度为50 mA g-1，充放电压范围为2.0~0V(Na+/Na)。如图4所示该材料的可逆容量为260mAh g-1，循环100周后容量仍然保持220 mAh g-1。
 
实施例3. 沥青热解碳的制备及储钠性能
将沥青材料放置于充满氮气的高温炉中，在600oC热解24h，所得的碳材料与偏氟乙烯（PVDF）（溶于N甲基吡咯烷酮中）、乙炔黑混合按90：5：5的重量比均匀，涂覆成电极膜。以该电极膜为工作电极，金属钠片为对电极，1mol L-1NaPF6 (EC-DEC=1:1)为电解液组装成电池测试其电化学性能，电流密度为50 mA g-1，充放电压范围为1.2~0V(Na+/Na)。经测试材料的可逆容量为175mAh g-1，循环100周后容量仍然保持150 mAh g-1。
 
实施例4. 糠醛热解碳的制备及储钠性能
将糠醛材料放置于充满氩气的高温炉中，在1600oC热解3h，所得的碳材料与偏氟乙烯（PVDF）（溶于N甲基吡咯烷酮中）、乙炔黑混合按90：5：5的重量比均匀，涂覆成电极膜。以该电极膜为工作电极，金属钠片为对电极，1mol L-1NaPF6 (EC-DEC=1:1)为电解液组装成电池测试其电化学性能，电流密度为50 mA g-1，充放电压范围为1.2~0V(Na+/Na)。经测试材料的可逆容量为180mAh g-1。

Claims (4)

1.一类钠离子电池碳负极材料, 其特征在于，由芳香族有机物热解制得，热解条件为在惰性气氛中，600~1600oC下碳化2~24小时。
2.根据权利要求1所述的碳负极材料, 其特征在于，所述芳香族有机物为聚苯、酚醛、糠醛、聚萘、聚蒽、沥青或它们的衍生物。
3.根据权利要求1或2所述的碳负极材料, 其特征在于，所述的惰性气氛为氮气或氩气。
4.一种钠离子电池，由负极，正极，电解液及隔膜组成，其中的负极材料为权利要求1～3所述的碳材料。
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