CN106033813B - 一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，首先将海藻酸钠溶解到去离子水中，全程保持温度在60‑90℃并搅拌，得到的均匀粘稠液体，其中，每100mL去离子水中溶解0.8～20g海藻酸钠；然后将得到的均匀粘稠液体经冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状海藻酸钠；最后将得到的海绵状海藻酸钠在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧结束后冷却至室温，然后稀酸浸泡后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行真空干燥处理，获得钠离子电池负极材料。本发明制备的海藻酸钠衍生碳材料作为室温钠离子电池的负极材料，能够克服块体碳材料电池容量低、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、电池容量高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种钠离子二次电池负极材料的制备方法，具体涉及一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法。
背景技术
21世纪以来，随着煤、石油、天然气等化石燃料不可再生资源的日渐枯竭，以及其燃烧带来的环境污染问题，能源和环境问题已经成为影响当今世界可持续发展的重大瓶颈性难题。为了解决这一世界难题，寻求替代传统化石燃料的可再生绿色能源及谋求人与环境的和谐发展显得尤为迫切。锂离子二次电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、放电性能稳定、安全性好、无污染和工作温度范围宽等优点，具有广泛的应用前景，成为近年来的研究热点。而锂矿在地球上储量有限，并且分布不均匀，主要集中在美洲，我国锂矿较少，若把锂电技术广泛应用于清洁能源储能器件及电动车行业，势必会提高锂矿价格，不利于长久可持续发展。而世界范围内钠矿储量丰富，成本低廉，我国也有大量的钠矿，因此发展室温钠离子电池来代替锂离子电池是未来二次储能电池的趋势。
碳材料具有良好的导电性能和结构稳定性，并且已经在锂电负极材料上展现出杰出的优点，如：石墨已经是商业化的锂电负极材料，其中石墨成本低廉、电池比容量较高并且循环稳定性好；石墨烯因具有很大的比表面积，作为锂电负极材料比容量能达到1100mAh/g。然而钠离子的半径比锂离子大1.4倍，而石墨和石墨烯的层间距不足以容纳钠离子插入，导致它们却不能当作钠电负极材料。因此，必须探索制备其它新型钠离子负极碳材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明制备的海藻酸钠衍生碳材料作为室温钠离子电池的负极材料，能够克服块体碳材料电池容量低、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、电池容量高的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将海藻酸钠溶解到去离子水中，全程保持温度在60-90℃并搅拌，得到的均匀粘稠液体，其中，每100mL去离子水中溶解0.8～20g海藻酸钠；
步骤二：将步骤一得到的均匀粘稠液体经冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状海藻酸钠；
步骤三：将步骤二得到的海绵状海藻酸钠在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧结束后冷却至室温，然后稀酸浸泡后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行真空干燥处理，获得钠离子电池负极材料。
进一步地，步骤一中搅拌方式为磁力搅拌，搅拌时间为0.5～3.0h。
进一步地，步骤二中冷冻干燥的时间为12～72h。
进一步地，步骤三中的惰性气氛为Ar或N2气氛。
进一步地，步骤三中的煅烧处理具体为：以2～10℃/min的升温速率进行升温，升温至600～1000℃，煅烧2～12h。
进一步地，步骤三中采用的稀酸为2mol/L的盐酸或硝酸。
进一步地，步骤三中的真空干燥处理为在温度为60～100℃条件下，真空干燥12～48h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用冷冻干燥预处理，随后高温退火碳化的方式得到海藻酸钠衍生碳材料。在冷冻干燥预处理阶段，海藻酸钠溶于水后，通过冷冻干燥保留疏松的结构，从而避免了碳化煅烧阶段的急剧交联过程。且在高温处理时，钠可作为活化剂与碳反应可生成Na2CO3、Na2O等小分子，这些小分子对单个石墨微晶或微晶群形成刻蚀而生成不同孔径的孔隙，活化过程中反应生成的小分子气体，如CO、CO2、H2、H2O等，沿着已有孔道流出的过程中，因高温膨胀而起到扩孔的作用。另外，在活化的过程中产生的金属钠蒸汽将进入石墨层间，发挥造孔、扩孔的作用。本发明的制备方法具有操作简便易行，可重复性强，成本低，对环境无污染的特点。利用本方法制备的海藻酸钠衍生碳材料作为室温钠离子电池的负极材料，能够克服块体碳材料电池容量低、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、电池容量高的特点，且本方法具有操作简单、可重复性高、成本低廉的特点。
附图说明
图1是本发明实施例4中制备的钠离子电池负极材料的XRD图；
图2是本发明实施例4中制备的钠离子电池负极材料的SEM图；
图3是本发明实施例4中制备的钠离子电池负极材料的循环性能图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将海藻酸钠溶解到去离子水中，全程保持温度在60-90℃并磁力搅拌0.5～3.0h，得到的均匀粘稠液体，其中，每100mL去离子水中溶解0.8～20g海藻酸钠；
步骤二：将步骤一得到的均匀粘稠液体经冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状海藻酸钠，冷冻干燥的时间为12～72h；
步骤三：将步骤二得到的海绵状海藻酸钠在Ar或N2气氛下以2～10℃/min的升温速率进行升温，升温至600～1000℃，煅烧2～12h，煅烧结束后冷却至室温，然后采用2mol/L的盐酸或硝酸浸泡后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后在温度为60～100℃条件下，真空干燥12～48h，获得钠离子电池负极材料。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
称取2.0g海藻酸钠加入到50ml去离子水中，加热至60℃并磁力搅拌0.5h，得到均匀粘稠液体，将得到的均匀粘稠液体经72h冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状的海藻酸钠；将海绵状的海藻酸钠在Ar气氛下，以2℃/min的升温速率升至600℃，煅烧2h，煅烧结束自然冷却至室温后，经2mol/L的盐酸浸泡至中性后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行在60℃下真空干燥12h，获得钠离子电池负极材料。
实施例2
称取10g海藻酸钠加入到250ml去离子水中，加热至90℃并磁力搅拌3h，得到均匀粘稠液体，将得到的均匀粘稠液体经72h冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状的海藻酸钠；将海绵状的海藻酸钠在Ar气氛下，以2℃/min的升温速率升至1000℃，煅烧12h，煅烧结束自然冷却至室温后，经2mol/L的硝酸浸泡至中性后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行在100℃下真空干燥12h，获得钠离子电池负极材料。
实施例3
称取2.0g海藻酸钠加入到50ml去离子水中，加热至80℃并磁力搅拌3h，得到均匀粘稠液体，将得到的均匀粘稠液体经12h冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状的海藻酸钠；将海绵状的海藻酸钠在N2气氛下，以2℃/min的升温速率升至600℃，煅烧2h，煅烧结束自然冷却至室温后，经2mol/L的硝酸浸泡至中性后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行在100℃下真空干燥12h，获得钠离子电池负极材料。
实施例4
称取10g海藻酸钠加入到250ml去离子水中，加热至80℃并磁力搅拌3h，得到均匀粘稠液体，将得到的均匀粘稠液体经36h冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状的海藻酸钠；将海绵状的海藻酸钠在N2气氛下，以10℃/min的升温速率升至1000℃，煅烧2h，煅烧结束自然冷却至室温后，经2mol/L的硝酸浸泡至中性后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行在100℃下真空干燥12h，获得钠离子电池负极材料。
实施例5
称取2.0g海藻酸钠加入到250ml去离子水中，加热至70℃并磁力搅拌2h，得到均匀粘稠液体，将得到的均匀粘稠液体经36h冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状的海藻酸钠；将海绵状的海藻酸钠在Ar气氛下，以4℃/min的升温速率升至800℃，煅烧8h，煅烧结束自然冷却至室温后，经2mol/L的盐酸浸泡至中性后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行在80℃下真空干燥20h，获得钠离子电池负极材料。
实施例6
称取10g海藻酸钠加入到50ml去离子水中，加热至80℃并磁力搅拌1h，得到均匀粘稠液体，将得到的均匀粘稠液体经48h冷冻干燥，得到结构疏松的海绵状的海藻酸钠；将海绵状的海藻酸钠在N2气氛下，以8℃/min的升温速率升至900℃，煅烧10h，煅烧结束自然冷却至室温后，经2mol/L的盐酸浸泡至中性后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后进行在90℃下真空干燥30h，获得钠离子电池负极材料。
参见附图，图1为实施例4中制备的钠离子电池负极材料的XRD图。其中，横坐标是角度；纵坐标是相对强度。图中可看得到了碳化的碳材料，在2θ为24°和43°处有很弱石墨的衍射峰。
图2为实施例4中制备的钠离子电池负极材料的SEM图。从图中能看出材料为多孔碳，具有较大比表面积，从而增大和电解液的接触，进一步提高电池容量和循环稳定性。
图3为实施例4中制备的钠离子电池负极材料的循环性能图。由图中可看出纳米碳材料首次充电比容量为550mAh/g，并且经过三次充放电循环后比容量接近为248mAh/g，经过50次循环后比容量仍能保持在200mAh/g；说明通过适当控制反应条件能够获得具有较好电化学性能的海藻酸钠衍生碳材料。
本发明并不局限上述所列举的具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明工作原理和上面给出的具体实施方式，可以做出各种等同的修改、等同的替换、部件增减和重新组合，从而构成更多新的实施方式。
Claims (3)
1.一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将海藻酸钠溶解到去离子水中，全程保持温度在60-90℃并搅拌，得到均匀粘稠液体，其中，每100mL去离子水中溶解0.8～20g海藻酸钠；
步骤二：将步骤一得到的均匀粘稠液体经冷冻干燥12～72h，得到结构疏松的海绵状海藻酸钠；
步骤三：将步骤二得到的海绵状海藻酸钠在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧处理具体为：以2～10℃/min的升温速率进行升温，升温至600～1000℃，煅烧2～12h，煅烧结束后冷却至室温，然后2mol/L的盐酸或硝酸浸泡后，通过抽滤，用水和乙醇洗至中性，然后在60～100℃条件下，真空干燥12～48h，获得钠离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤一中搅拌方式为磁力搅拌，搅拌时间为0.5～3.0h。
3.根据权利要求1所述的一种以海藻酸钠作为碳源制备钠离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤三中的惰性气氛为Ar或N2气氛。
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