CN105261785A - 一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，属于钠离子二次电池技术领域，包括如下步骤：(1)将竹炭加热升温后烧结，并保温一段时间；(2)将步骤(1)处理后的竹炭加入盛有硝酸银溶液的容器内，搅拌至均匀，再加入维生素C，充分混合后进行热处理，实现对竹炭的包覆。本发明还提供了按照上述方法得到的改性竹炭负极材料。本发明绿色环保，储能容量高、储能容量稳定、倍率放电性能和循环性能好。

Description

一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及钠离子二次电池技术领域，具体是一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法。
背景技术
能源是支撑整个人类进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。随着经济的快速发展，社会对能源的依赖性不断提高。因此，改变能源结构不合理的情况，开发清洁的可再生能源来替代化石燃料，已成为人类社会的可持续发展面临的主要问题。风能、太阳能、潮汐能、地热能源都是可再生的清洁能源，将成为未来的主要能源。然而，可再生能源具有体积大、能量密度低、随机性、间歇性的，所以这些都是难以利用的，开发出有效的能源技术来满足全世界的能源需求是现在的热门话题。
钠离子电池是与锂离子电池类似的电池体系，与铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池等其它电池相比，普遍认为钠离子电池具有与锂离子电池类似的能量密度大、工作电压高、自放电小、无污染、循环寿命长等优点。锂离子电池由于具有更高的工作电压和能量密度，在手机、笔记本电脑和数码相机等小型移动电器中得到普遍应用。而钠离子电池采用资源更加丰富的金属钠具有成本低的突出优势，预计在动力电池、大型储能装置以及电网调峰等领域具有广阔的前景。
负极材料是决定钠离子电池性能的关键因素之一。目前，研究的负极主要有炭素材料和合金类材料。Si、Ge和Sn等合金类材料通常具有较高的容量，但由于Na+直径大，为9.8nm，在充放电过程中合金类材料的体积膨胀达3倍以上，导致循环性能很差，不适合用于钠离子电池。
炭素材料主要有晶体炭、微晶炭、无定形炭、炭纳米管和石墨烯等。晶体炭石墨是目前锂离子电池中大规模使用的负极材料，具有充放电效率高和循环性能好等突出优势。由于Na+比Li+的体积大一倍左右，Na+比Li+更难嵌入到晶体石墨的碳层内部，因此石墨的储钠容量很低，仅为30mAh-1g左。微晶炭为树脂或糖类的热解炭，内部存在较多孔隙可储存Na+，如葡萄糖热解炭的储钠容量达到300mAhg-1。无定形炭黑具有较高的比表面积，储钠容量接近200mAhg-1。但是这类微晶炭和无定形炭普遍存在不可逆容量大、倍率放电性能和循环性能差的问题。具有纤维状的炭纳米管和片状的石墨烯具有较高的比表面积，尤其是堆垛褶皱状的石墨烯具有更多的储钠空间，储钠容量高达1264mAhg-1。但是石墨烯炭材料由于粒度小，比表面积高，存在首次不可逆容量高，库伦效率低，充填密度小的缺点，并且在充放电过程中石墨烯的堆垛结构不稳定，导致循环性能差。因此，人们还没找到适合钠离子电池的负极材料。
发明内容
本发明要解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种绿色环保，储能容量高、储能容量稳定、倍率放电性能和循环性能好的钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将竹炭加热升温后烧结，并保温一段时间；
(2)将所述步骤(1)处理后的竹炭加入盛有硝酸银溶液的容器内，搅拌至均匀，再加入维生素C，充分混合后进行热处理，实现对竹炭的包覆。
进一步地，所述步骤(1)中烧结温度为600-1000℃。
进一步地，所述步骤(1)中的升温时间为4h。
进一步地，所述步骤(1)中保温时间为0-12h。
进一步地，所述步骤(2)中硝酸银溶液的质量分数为2％。
进一步地，所述步骤(2)中维生素C与处理后的竹炭的质量比为1：1.2。
进一步地，所述步骤(2)中的热处理条件为在管式炉内充入氩气，热处理温度为450℃。
本发明还提供了按照上述方法得到的改性竹炭负极材料。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明绿色环保，储能容量高、储能容量稳定、倍率放电性能和循环性能好。
附图说明
图1是烧结温度对竹炭储能的影响。
图2是烧结时间对竹炭储能的影响。
图3是包覆对竹炭储能的影响。
图4不同倍率对竹炭储能的影响。
具体实施方式
一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将3.1g竹炭加热升温后烧结，并保温一段时间；
(I)如图1所示，当升温时间为4h，保温时间为3h时，不同烧结温度对竹炭储能的影响。
a.烧结温度为600℃，升温时间为4h，保温时间3h；
b.烧结温度为700℃，升温时间为4h，保温时间3h；
c.烧结温度为800℃，升温时间为4h，保温时间3h；
d.烧结温度为900℃，升温时间为4h，保温时间3h；
e.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间3h；
由图1可看出，随着烧结温度不断上升，竹炭的储能容量也不断增加，当烧结温度为1000℃时，电池的储能容量最高，且稳定性也最好。因为温度升高时，会将竹炭内的其他杂质烧结出去，这样炭的浓度就会增加，这可能是导致储能容量增高的原因之一。
(II)如图2所示，烧结温度为1000℃，当升温时间为4h，不同烧结时间对竹炭储能的影响。
f.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间0h；
g.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间2h；
h.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间4h；
i.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间4h；
j.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间8h；
k.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间10h；
l.烧结温度为1000℃，升温时间为4h，保温时间12h；
由图2可看出，时间与储能容量的关系，很明显6h的折线趋势是最理想的状态，储能容量最高。
(2)将步骤(1)处理后的2.7g竹炭加入盛有5mL的2％的硝酸银溶液的容器内，搅拌至均匀，再加入2.3g维生素C，充分混合后在管式炉内充入氩气，热处理温度为450℃，实现对竹炭的包覆。
如图3所示，将包覆后的竹炭制作成负极片，组装成钠离子电池，与没有进行包覆的竹炭制成的钠离子电池进行充放电测试。
由图3可看出，经过硝酸银包覆后的竹炭材料制成的钠离子电池，其储能容量明显高于没有经过包覆的竹炭材料。这说明竹炭经过有效的包覆后，可以提升其电池储能的容量。包覆后不仅是电池的储能容量提高了，从电池的100周循环可以看出，其储能的容量的也相对稳定。
如图4所示，通过不同倍率的充放电对钠离子电池储能容量和稳定性的影响，选用三种不同倍率进行充放电测试：0.05C、0.1C、0.5C。
由图4可看出，0.05C倍率下进行充电，其储能容量最高，接近200mAhg-1，0.1C，0.5C倍率下，其储能容量都低于0.05C下的储能容量，最低的0.5C下，其储能容量接近180mAhg-1甚至低于180mAhg-1，从这三种倍率下可以简单的看出，倍率越小，其储能容量会越高，也说明竹炭具有优异的倍率性能。
综上可知，将竹炭材料在1000℃保温6h，进行硝酸银包覆，并组装成钠离子电池进行0.05c倍率充放电后优化得到的改性竹炭负极材料储能容量高、储能容量稳定、倍率放电性能和循环性能好。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将竹炭加热升温后烧结，并保温一段时间；
(2)将所述步骤(1)处理后的竹炭加入盛有硝酸银溶液的容器内，搅拌至均匀，再加入维生素C，充分混合后进行热处理，实现对竹炭的包覆。
2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中烧结温度为600-1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的升温时间为4h。
4.根据权利要求1所述的一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中保温时间为0-12h。
5.根据权利要求1所述的一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中硝酸银溶液的质量分数为2％。
6.根据权利要求1所述的一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中维生素C与处理后的竹炭的质量比为1：1.2。
7.根据权利要求1所述的一种钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的热处理条件为在管式炉内充入氩气，热处理温度为450℃。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的钠离子电池改性竹炭负极材料的制备方法得到的改性竹炭负极材料。
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