CN106099176A - 高比容量钠离子电池及其多孔Yolk‑shell结构碳/锡材料及制法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高比容量钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液，负极片为金属钠片，正极片是将多孔Yolk‑shell结构碳/锡材料与导电剂、粘结剂按质量比8：1～2：1～2混合再加入N‑甲基吡咯烷酮NMP搅拌均匀后涂覆于铝箔上再真空烘干而成。本发明还公开了用于上述高比容量钠离子电池的多孔Yolk‑shell结构碳/锡材料及制法，通过以间苯二酚、聚氧乙烯‑聚氧丙烯‑聚氧乙烯三嵌段共聚物、二氧化锡颗粒、甲醛为原材料采用包覆‑碳热还原法制备而成。与现有技术相比，本发明将多孔Yolk‑shell结构碳/锡材料创新性地应用于钠离子电池，具有比容量高、循环性能优良、原料来源丰富、价格低廉等优点，工艺可操作性强、重复性好，应用前景好。

Description

高比容量钠离子电池及其多孔Yolk-shell结构碳/锡材料及 制法
技术领域
本发明涉及电化学材料技术领域，特别涉及一种高比容量钠离子电池及用于该高比容量钠离子电池的其多孔Yolk-shell结构碳/锡材料及制法。
背景技术
能源的储存和转换已成为制约世界经济可持续发展的重要问题。因此，大规模地采用能量密度高、转化效率高、维护简单的二次电池来储存调控间歇的新能源，是目前实现电网智能化运行的最优解决方案。钠离子电池因其原料来源丰富、环境友好、安全性高与价格便宜等因素成为该领域非常具有应用前景的候选者，吸引了人们的广泛关注。
金属锡具有较高的比容量，是目前具有良好前景的钠离子电池负极材料，但是此材料在充放电过程中体积膨胀比较严重，导致电极很容易粉化，循环寿命偏短，通过纳米化、包覆及掺杂等方法来减小材料的体积膨胀是目前的主要手段。
Yolk-shell结构是指一类呈现为内核空隙外壳构型的材料，呈中空的蛋黄-蛋壳形，由于其独特的结构、内核与外壳的功能化，以及其可调控的物理化学性能，具有广泛的应用前景。碳包围的Yolk-shell结构已经广泛用于钠离子电池的电极材料中，这类Yolk-shell结构的碳包围层往往采用高分子树脂等作为碳源，通过高温碳化形成，碳层可提高Yolk-shell结构材料的导电性，且碳层本身也具有储钠能力，同时，核颗粒的性能随着碳壳的包围得到显著改善，这是利用Yolk-shell结构材料的协同效应以及两者相互作用会产生多重功效的特性，克服各自绝大多数的缺陷并发挥两者的优势。然而，现有的Yolk-shell结构复合材料存在电化学性能不佳、放电比容量较低、循环性能差等问题，目前结构稳定、循环稳定性好的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料应用于钠离子电池负极材料未见报道。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种高比容量钠离子电池，利用多孔Yolk-shell结构碳/锡材料可以有效缓解金属锡充放电过程中的体积膨胀大、循环性能差等问题，增强了电导率，储钠比容量高，结构稳定，原料来源广泛，价格低廉，相比锂离子电池显著降低了成本，可长期使用，应用前景佳。
本发明的目的还在于，提供用于上述高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料及制法。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：
一种高比容量钠离子电池，其包括正极片、负极片、隔膜及电解液，所述负极片为金属钠片，所述正极片是将多孔Yolk-shell结构碳/锡材料与导电剂、粘结剂按质量比8：1～2：1～2混合再加入N-甲基吡咯烷酮NMP搅拌均匀后涂覆于铝箔上再真空烘干而成。
优选地，所述的电解液中电解质为高氯酸钠，溶剂为碳酸二乙酯DEC、碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC与氟代碳酸乙烯酯FEC依次按体积比1：2.8～3：2.9～3：3～3.1混合而成；所述的粘结剂为聚偏氯乙烯PVDF。
优选地，所述的隔膜采用隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的任一种；所述的导电剂为导电碳黑。
一种用于前述高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料，该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料以二氧化锡颗粒为蛋黄Yolk、多孔碳层为蛋壳shell，多孔碳层包围二氧化锡颗粒且多孔碳层与二氧化锡颗粒之间存在空隙，多孔碳层的碳含量为该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的22～25wt％。
一种前述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，包括如下步骤：
S1：将间苯二酚、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物溶解于去离子水中得到溶液，之后加入氢氧化钠调节PH值；
S2：之后向步骤S1中加入37wt％甲醛水溶液与二氧化锡颗粒,升温反应一段时间后，过滤，干燥，研磨得到粉末态多孔Yolk-shell结构碳/锡材料前驱体；
S3：将粉末态多孔Yolk-shell结构碳/锡材料前驱体在保护气氛中高温煅烧，得到成品多孔Yolk-shell结构碳/锡材料。
优选地，步骤S1所述溶液中的间苯二酚的质量分数为3.15～4.1wt％，聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物的质量分数为2.52～2.81wt％。
优选地，步骤S1所述的PH值为9～13。
优选地，所述的间苯二酚与二氧化锡颗粒的质量比为0.56～0.66；所述的间苯二酚与37wt％甲醛水溶液的质量比为0.7～0.8；所述的二氧化锡颗粒的粒径为100～1000nm。
优选地，步骤S2中升温反应的条件：温度为80～90℃、时间为7～8小时；干燥的条件：温度为70～100℃、时间为8～20小时。
优选地，步骤S3中高温煅烧的条件：温度为650～1000℃，时间为3～24小时。
当溶液PH值为9～13时，表面活性剂聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物F127会形成直径为3～5nm的纳米胶束，间苯二酚、甲醛与F127纳米胶束表面基团反应依附在胶束表面；同时，在碱性、高温环境下间苯二酚与甲醛发生加聚反应，随后发生缩聚反应生成酚醛树脂，分子与分子间交联聚合，将F127纳米胶束包覆，且将F127纳米胶束连接形成更大的F127纳米胶束与酚醛树脂的混合体，最终包覆在二氧化锡颗粒表面，形成了以二氧化锡颗粒为核、酚醛树脂与F127纳米胶束的混合体为壳的核壳结构。干燥后，在氮气或氩气保护气氛下高温煅烧，升温到300～500℃之间时，组成纳米胶束的F127分子升华，纳米胶束占据的位置形成纳米孔道；当温度高于500℃时，酚醛树脂开始碳化形成无定型碳层，加之F127分子升华，无定型碳层成为含有纳米孔道结构的多孔碳层；当温度高于600℃之后，二氧化锡颗粒与碳发生碳热还原反应生成单质锡与二氧化碳，从而得到多孔蛋黄-蛋壳Yolk-shell结构碳/锡材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料及其制法，采用包覆-碳热还原法制备而成，工艺精准，可操作性强，多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的结构稳定性佳、蛋黄与蛋壳Yolk-shell之间具有很大的空隙，有利于缓解充电过程中的体积膨胀，增强了电导率，提高了多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的储钠比容量。
本发明采用上述多孔Yolk-shell结构碳/锡材料创新性地构成高比容量钠离子电池，其结构稳定、循环稳定性好，比容量高，重复性好，且原料来源广泛，价格低廉，相比锂离子电池显著降低了成本，可长期使用，应用前景佳。
上述是发明技术方案的概述，以下结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本实施例1的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料在0.01-2.5V vs Na+/Na、0.2C电流密度下的首次充放电曲线；
图2为本实施例1的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料在0.01-2.5V vs Na+/Na、0.2C电流密度下的的循环曲线；
图3为本实施例2的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的XRD图谱；
图4为本实施例3的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的热重曲线。
具体实施方式：
为了使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例作详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：本实施例提供的高比容量钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液，负极片为金属钠片，正极片是将多孔Yolk-shell结构碳/锡材料与导电剂、粘结剂按质量比8：1：1混合，再加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)搅拌均匀，涂布到铝箔上，在真空烘箱中于90℃下烘干，在冲片机上剪片后得到；电解液中电解质为高氯酸钠，溶剂为碳酸二乙酯DEC、碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC与氟代碳酸乙烯酯FEC依次按体积比1：3：3：3混合而成；粘结剂采用聚偏氯乙烯PVDF；隔膜采用隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的任一种；导电剂为导电碳黑；经组装形成钠离子电池；并采用深圳市新威尔电子有限公司BTS51800电池测试系统在0.1-1.4V电压范围内进行充放电性能测试。其电化学性能测试结果如附图1和附图2所示，可见，其在0.01-2.5V vs Na+/Na、0.2C电流密度下首次放电克容量可达450.7mAh/g；且在0.01-2.5V vs Na+/Na、0.2C电流密度下循环稳定性好。
本实施例还提供用于前述高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料，该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料以二氧化锡颗粒为蛋黄Yolk、多孔碳层为蛋壳shell，多孔碳层包围二氧化锡颗粒且多孔碳层与二氧化锡颗粒之间存在空隙，多孔碳层的碳含量为该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的22wt％。
本实施例还提供前述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，包括如下步骤：
将1.12克间苯二酚，0.9克聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(F127)溶解在30.0mL去离子水中得到溶解液，加入4.0mL 1wt％氢氧化钠水溶液调节PH值为9，然后加入1.6克37wt％甲醛，2.0克二氧化锡SnO2,升温到90℃，反应7小时，完成后过滤，70℃干燥20小时，研磨得到粉末态多孔Yolk-shell结构碳/锡材料前驱体，在氮气气氛中1000℃煅烧3小时，制备得到成品多孔Yolk-shell结构碳/锡材料。其中，二氧化锡颗粒的粒径为100～1000nm。
实施例2：本实施例提供的高比容量钠离子电池及用于该高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料及制法，与实施例1基本相同，不同之处在于：
一种高比容量钠离子电池，其负极片的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料与导电剂、粘结剂按质量比8：2：1.5混合，电解液中溶剂为碳酸二乙酯DEC、碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC与氟代碳酸乙烯酯FEC依次按体积比1：2.8：2.9：3.1混合而成。
本实施例提供的用于前述高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料中多孔碳层的碳含量为该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的25wt％。
本实施例提供的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，包括以下步骤：
将1.0克间苯二酚、0.8克聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(F127)溶解在30.0mL去离子水中，加入5.0mL 1wt％氢氧化钠水溶液调节PH值为11，然后加入1.4克37wt％甲醛，1.6克二氧化锡(SnO2),升温到80℃，反应8小时，完成后过滤，80℃干燥13小时，研磨成粉末态多孔Yolk-shell结构碳/锡材料前驱体，在氩气气氛中900℃煅烧4小时，制备得到成品即多孔Yolk-shell结构碳/锡材料。
本实施例制备得到的成品多孔Yolk-shell结构碳/锡材料采用岛津XRD6100型X射线衍射仪XRD进行表征，测试条件为Cu靶，Kα辐射，40kV，30mA，步宽0.02o，扫描范围10～80o；样品为粉末置于样品台凹槽压平后，直接检测。如图3 XRD图谱所示，成品的纯度高，对应的PDF卡片号为：86-2264，是锡的特征峰，无碳的特征峰，说明碳的结晶度低，不能分辨。
实施例3：本实施例提供的高比容量钠离子电池及用于该高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料及制法，与实施例1基本相同，不同之处在于：
一种高比容量钠离子电池，其负极片的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料与导电剂、粘结剂按质量比8：1.5：2混合，电解液中溶剂为碳酸二乙酯DEC、碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC与氟代碳酸乙烯酯FEC依次按体积比1：2.9：3：3混合而成。
本实施例提供的用于前述高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料中多孔碳层的碳含量为该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的23.5wt％。
本实施例提供的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，包括以下步骤：
将1.32克间苯二酚，0.88克聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物(F127)溶解在30.0mL去离子水中，加入6.0mL 1wt％氢氧化钠水溶液调节PH值13，然后加入1.65克37wt％甲醛，2.0克二氧化锡(SnO2),升温到85℃，反应7小时，完成后过滤，100℃干燥8小时，研磨成粉末，在氮气气氛中650℃煅烧24小时，制备得到成品即多孔Yolk-shell结构碳/锡材料。
本实施例制备得到的成品多孔Yolk-shell结构碳/锡材料采用Netzsch TG 209型热重分析仪进行热重分析表征，如图4热重曲线所示，成品中碳含量为23.5wt％。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.高比容量钠离子电池，其特征在于，包括正极片、负极片、隔膜及电解液，所述负极片为金属钠片，所述正极片是将多孔Yolk-shell结构碳/锡材料与导电剂、粘结剂按质量比8：1～2：1～2混合再加入N-甲基吡咯烷酮NMP搅拌均匀后涂覆于铝箔上再真空烘干而成。
2.如权利要求1所述的高比容量钠离子电池，其特征在于，所述的电解液中电解质为高氯酸钠，溶剂为碳酸二乙酯DEC、碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC与氟代碳酸乙烯酯FEC依次按体积比1：2.8～3：2.9～3：3～3.1混合而成；所述的粘结剂为聚偏氯乙烯PVDF。
3.如权利要求1所述的高比容量钠离子电池，其特征在于，所述的隔膜采用隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的任一种；所述的导电剂为导电碳黑。
4.一种用于权利要求1-3之一所述高比容量钠离子电池的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料，其特征在于，该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料以二氧化锡颗粒为蛋黄Yolk、多孔碳层为蛋壳shell，多孔碳层包围二氧化锡颗粒且多孔碳层与二氧化锡颗粒之间存在空隙，多孔碳层的碳含量为该多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的22～25wt％。
5.一种权利要求4所述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将间苯二酚、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物溶解于去离子水中得到溶液，之后加入氢氧化钠调节PH值；
S2：之后向步骤S1中加入37wt％甲醛水溶液与二氧化锡颗粒,升温反应一段时间后，过滤，干燥，研磨得到粉末态多孔Yolk-shell结构碳/锡材料前驱体；
S3：将粉末态多孔Yolk-shell结构碳/锡材料前驱体在保护气氛中高温煅烧，得到成品。
6.如权利要求5所述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，其特征在于，步骤S1所述溶液中的间苯二酚的质量分数为3.15～4.1wt％，聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物的质量分数为2.52～2.81wt％。
7.如权利要求5所述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，其特征在于，步骤S1所述的PH值为9～13。
8.如权利要求5所述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，其特征在于，所述的间苯二酚与二氧化锡颗粒的质量比为0.56～0.66；所述的间苯二酚与37wt％甲醛水溶液的质量比为0.7～0.8；所述的二氧化锡颗粒的粒径为100～1000nm。
9.如权利要求5所述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法，其特征在于，步骤S2中升温反应的条件：温度为80～90℃、时间为7～8小时；干燥的条件：温度为70～100℃、时间为8～20小时。
10.如权利要求5所述的多孔Yolk-shell结构碳/锡材料的制法离子电池负极材料的制法，其特征在于，步骤S3中高温煅烧的条件：温度为650～1000℃，时间为3～24小时。
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