CN106629665A - 熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片及其在钠离子电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片及其在钠离子电池中的应用。将0.1‑0.2 g的葡萄糖与0.1‑0.2g的硫粉和2‑4g的熔盐（重量比LiCl/KCl=40‑50/50‑60）研磨充分，然后将混合均匀的反应物放到刚玉舟内，置于管式炉内。在氩气的氛围内，先300‑400℃煅烧1‑3 h，再550‑750℃煅烧4‑6 h，待冷却到室温取出样品，洗涤并收集。将硫掺杂硬碳纳米片作为钠离子电池负极材料，表现出非常优异的倍率性能。在0.1A/g时，其可逆充电容量约为250 mAh·g‑1；在1A/g时，可逆容量为197 mAh·g‑1；大倍率2 A/g下，还能够保持在185 mAh·g‑1。

Description

熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片及其在钠离子电池中的应用
技术领域
本发明属于钠离子电池负极材料领域，具体涉及熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片及其在钠离子电池中的应用。
背景技术
锂离子电池具有能量密度大、电压高和循环寿命长等显著优点而得到广泛应用。但是随着锂离子电池的大量制造应用，锂（碳酸锂）的价格不断上升，且锂的资源在地球中的储量本身就比较少。钠元素在地球上的储量比锂要丰富得多，金属钠来源广泛且廉价，因而钠离子电池近年来得到广泛的关注。当前，钠离子电池因缺乏合适的负极材料而制约其应用，开发性能优异的钠离子电池负极材料是当然该领域的研究重点和难点。目前，硬碳材料被认为是最有前景的钠离子电池负极材料，但目前其倍率性能较差。
目前没有熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片及其在钠离子电池中的应用相关专利报道。
发明内容
本发明提供了通过一步熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片，并将其作为钠离子电池负极材料，表现出非常优异的倍率性能。本发明用高温混合熔盐固相法，合成出硫掺杂碳纳米片，其XRD结构分析如图1所示，从图中可推算所合成材料的层间距约为0.39 nm，明显比普通硬碳材料的层间距（0.36 nm）要大得多。经扫描电镜观察，这种碳纳米片厚度约为25-50nm，片的大小约为400-600 nm。用此碳纳米片作为钠离子电池负极材料，结果表明其具有非常优异的倍率充放电性能。在0.1A/g时，其可逆充电容量约为250 mAh·g-1；在1A/g时，可逆容量为197 mAh·g-1；大倍率2 A/g下，还能够保持在185 mAh·g-1 。
硫掺杂硬碳纳米片的制备：将0.1-0.2 g的葡萄糖与0.1-0.2g的硫粉和2-4g的熔盐（重量比LiCl/KCl=40-50/50-60）研磨充分，然后将混合均匀的反应物放到刚玉舟内，置于管式炉内。在氩气的氛围内，先300-400℃煅烧1-3 h，再550-750℃煅烧4-6 h，待冷却到室温取出样品，洗涤并收集。
钠离子电池组装：按质量比硫掺杂硬碳纳米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝65-75：10-20：10-20混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1MNaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
本发明的显著优点在于：本发明首次提供了硫掺杂硬碳纳米片钠离子电池负极材料的制备方法，所制备的碳材料跟普通的材料相比具有较大的层间距，利于钠离子的嵌入和扩散，且其制备过程操作简便、成本低、纯度高、性能优异，可以大量合成。用此碳纳米片作为钠离子电池负极材料，结果表明其具有非常优异的倍率充放电性能。在0.1A/g时，其可逆充电容量约为250 mAh·g-1；在1A/g时，可逆容量为197 mAh·g-1；大倍率2 A/g下，还能够保持在185 mAh·g-1 。此产品还能推广至其他能源和催化等领域的应用。
附图说明
图1为实施例1硫掺杂硬碳纳米片的XRD图；
图2为实施例1硫掺杂硬碳纳米片的扫描电镜图；
图3为实施例1硫掺杂硬碳纳米片钠离子电池的倍率性能图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
硫掺杂硬碳纳米片的制备：将0.15g的葡萄糖与0.15g的硫粉和3g的熔盐（重量比LiCl/KCl=45/55）研磨充分，然后将混合均匀的反应物放到刚玉舟内，置于管式炉内。在氩气的氛围内，先350℃煅烧2 h，再650℃煅烧5h，待冷却到室温取出样品，洗涤并收集。
钠离子电池组装：按质量比硫掺杂硬碳纳米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：15：15混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC(EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
其XRD结构分析如图1所示，从图中可推算所合成材料的层间距约为0.39 nm，明显比普通硬碳材料的层间距（0.36 nm）要大得多。由图2扫描电镜观察可知，这种碳纳米片厚度约为25-50 nm，片的大小约为400-600 nm。用此碳纳米片作为钠离子电池负极材料，结果表明其具有非常优异的倍率充放电性能。由图3可知，在0.1A/g时，其可逆充电容量约为250mAh·g-1；在1A/g时，可逆容量为197 mAh·g-1；大倍率2 A/g下，还能够保持在185 mAh·g-1。
实施例2
硫掺杂硬碳纳米片的制备：将0.1 g的葡萄糖与0.1g的硫粉和2g的熔盐（重量比LiCl/KCl=40/50）研磨充分，然后将混合均匀的反应物放到刚玉舟内，置于管式炉内。在氩气的氛围内，先300℃煅烧1 h，再550℃煅烧4 h，待冷却到室温取出样品，洗涤并收集。
钠离子电池组装：按质量比硫掺杂硬碳纳米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝65：10：10混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC(EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
实施例3
硫掺杂硬碳纳米片的制备：将0.2 g的葡萄糖与0.2g的硫粉和4g的熔盐（重量比LiCl/KCl=50/60）研磨充分，然后将混合均匀的反应物放到刚玉舟内，置于管式炉内。在氩气的氛围内，先400℃煅烧3 h，再750℃煅烧6 h，待冷却到室温取出样品，洗涤并收集。
钠离子电池组装：按质量比硫掺杂硬碳纳米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝75： 20：20混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.熔盐法制备硫掺杂硬碳纳米片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将0.1-0.2 g的葡萄糖、0.1-0.2g的硫粉和2-4g的熔盐研磨充分，其中熔盐为重量比LiCl/KCl=40-50/50-60的混合物，然后将混合均匀的反应物放到刚玉舟内，置于管式炉内，在氩气的氛围内，先300-400℃煅烧1-3 h，再550-750℃煅烧4-6 h，待冷却到室温取出样品，洗涤并收集，得硫掺杂硬碳纳米片。
2.一种如权利要求1所述的制备方法制得的硫掺杂硬碳纳米片。
3.一种如权利要求2所述的硫掺杂硬碳纳米片的应用，其特征在于，硫掺杂硬碳纳米片在钠离子电池中的应用，具体应用方法为：钠离子电池组装：按质量比硫掺杂硬碳纳米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝65-75：10-20：10-20混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜片上做正极，负极为金属钠，电解质是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液；电池组装在氩气保护下手套箱里进行，氧气和水分含量均低于1ppm。
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