CN117963889A - 一种碳材料及其制备方法和钠离子电池 - Google Patents

一种碳材料及其制备方法和钠离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池领域,尤其涉及一种碳材料及其制备方法和钠离子电池。本发明提供的制备方法包括以下步骤:将多孔碳粉末与成炭剂混合,加热碳化,冷却,得到碳材料;所述成炭剂为聚乙二醇、葡萄糖、山梨醇、焦磷酸哌嗪、三嗪、季戊四醇、淀粉和二季戊四醇中的一种或多种。本发明利用成炭剂加热碳化在多孔碳颗粒表面包覆形成致密碳层,该致密碳层能够调节多孔碳的孔口尺寸,降低多孔碳的比表面积,并增加储钠位点,且不会影响多孔碳内部连贯的孔道结构,破坏离子的固相扩散通道。本发明制备的碳材料可以提供充足的储钠空间,同时实现快速的离子传输,具有优异的平台容量、首次库伦效率和倍率性能。

Description

一种碳材料及其制备方法和钠离子电池
技术领域
本发明属于电池领域,尤其涉及一种碳材料及其制备方法和钠离子电池。
背景技术
随着可再生能源(太阳能、风能、潮汐能等)的存储需要和电动汽车产业的快速发展,新型电化学储能技术有望平抑可再生能源发电接入电网带来的波动性、减少温室气体排放量,从而实现经济社会发展与生态环境保护的双赢。配置灵活、成本可控、安全高效、可充电的电化学储能器件成为智能电网实现能源储存的重要选择。以锂离子电池为代表的电化学储能系统因其高能量密度、高循环稳定性等优势,满足现代便携式储能器件轻、薄等要求。但是在大规模储能领域中,锂离子电池受制于原材料锂的低储量和高成本,难以用于大规模储能和日益增长的电动汽车市场。因此,研究者将目光投向了与锂同族的碱金属主族元素,其中具有天然资源丰度优势的钠和钾,赋予基于钠、钾元素构建的储能器件广阔的应用前景。
碱金属离子电池具有相似的结构和工作机理,即利用离子在正负极之间的移动实现充放电。钠离子电池是一种“摇椅式”电池,与锂离子电池具有类似的工作原理,并且凭借相似的电池组成,可以有效利用已经成熟的锂离子电池产业链,实现跨越式发展。主流的钠离子电池负极材料主要包括碳基材料、金属单质、金属氧化物和金属硫化物等。其中金属单质、氧化物和合金负极具有较高的比容量,但在充放电过程中会引起体积膨胀,构成较大的安全问题并影响循环性能。碳材料因具有较高的安全性和循环稳定性,是目前最具发展前景的碱金属离子电池负极材料。但目前碳材料还普遍存在着平台容量低、首次库伦效率低、倍率性能差等问题,严重阻碍了钠离子电池的产业化进程。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种碳材料及其制备方法和钠离子电池,本发明制备的碳材料具有优异的平台容量、首次库伦效率和倍率性能,在钠离子电池生产制造领域具有良好的应用前景。
本发明提供了一种碳材料的制备方法,包括以下步骤:
将多孔碳粉末与成炭剂混合,加热碳化,冷却,得到碳材料;
所述成炭剂为聚乙二醇、葡萄糖、山梨醇、焦磷酸哌嗪、三嗪、季戊四醇、淀粉和二季戊四醇中的一种或多种。
优选的,所述多孔碳粉末的粒径D50为1~20μm;所述多孔碳粉末的比表面积为500~3000m2/g;所述多孔碳粉末的平均孔径为0.1~3nm。
优选的,所述多孔碳粉末由多孔碳前驱体研磨制成,所述多孔碳前驱体为微孔活性碳、层次孔活性碳、模板多孔碳和多孔石墨烯中的一种或多种。
优选的,所述多孔碳粉末与成炭剂的质量比为1:(0.02~5)。
优选的,所述混合过程中还添加催化剂;所述催化剂为Fe、Co、Ni、Cu、Au、Ag、Pt和Pb中的一种或多种。
优选的,所述加热碳化在保护气体气氛中进行;所述保护气体为氩气、氮气和氢气中的一种或多种。
优选的,所述加热碳化的升温速率为0.1~20℃/min;所述加热碳化的终点温度为300~1200℃;所述加热碳化的保温时间为0.1~10h。
优选的,所述冷却的降温速率为0.1~20℃/min。
本发明提供了一种碳材料,其特征在于,按照上述技术方案所述的制备方法制得。
本发明提供了一种钠离子电池,其特征在于,所述钠离子电池的负极包括上述技术方案所述制备方法制得的碳材料或上述技术方案所述的碳材料。
与现有技术相比,本发明提供了一种碳材料及其制备方法和钠离子电池。本发明提供的制备方法包括以下步骤:将多孔碳粉末与成炭剂混合,加热碳化,冷却,得到碳材料;所述成炭剂为聚乙二醇、葡萄糖、山梨醇、焦磷酸哌嗪、三嗪、季戊四醇、淀粉和二季戊四醇中的一种或多种。本发明利用成炭剂加热碳化在多孔碳颗粒表面包覆形成致密碳层,该致密碳层能够调节多孔碳的孔口尺寸,降低多孔碳的比表面积,并增加储钠位点,且不会影响多孔碳内部连贯的孔道结构,破坏离子的固相扩散通道。本发明制备的碳材料可以提供充足的储钠空间,同时实现快速的离子传输,具有优异的平台容量、首次库伦效率和倍率性能,在钠离子电池生产制造领域具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中的多孔碳粉末的扫描电镜(SEM)图;
图2为本发明实施例1中的多孔碳粉末的氮气(77K)吸脱附曲线图;
图3为本发明实施例1中的多孔碳粉末的孔径分布曲线图;
图4为本发明实施例1中的碳材料的氮气(77K)吸脱附曲线图;
图5为本发明实施例1中的碳料和未经成炭剂处理的多孔碳粉末所组装的测试用电池的首圈充放电曲线图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种碳材料的制备方法,包括以下步骤:
将多孔碳粉末与成炭剂混合,加热碳化,冷却,得到碳材料。
在本发明提供的方法中,所述多孔碳粉末优选由多孔碳前驱体研磨制成,所述多孔碳前驱体包括但不限于微孔活性碳、层次孔活性碳、模板多孔碳和多孔石墨烯中的一种或多种。
在本发明提供的方法中,所述多孔碳粉末的粒径D50优选为1~20μm,具体可为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm。在本发明中,颗粒粒径过大,钠离子在固相中的扩散速率较慢,影响材料的倍率性能和平台容量;颗粒粒径过小,更多的暴露表面导致较严重的电解液不可逆分解,降低材料的库伦效率和循环稳定性。
在本发明提供的方法中,所述多孔碳粉末的比表面积优选为500~3000m2/g,具体可为500m2/g、600m2/g、700m2/g、800m2/g、900m2/g、1000m2/g、1100m2/g、1200m2/g、1300m2/g、1400m2/g、1500m2/g、1600m2/g、1700m2/g、1800m2/g、1900m2/g、2000m2/g、2100m2/g、2200m2/g、2300m2/g、2400m2/g、2500m2/g、2600m2/g、2700m2/g、2800m2/g、2900m2/g或3000m2/g。在本发明中,比表面积过低会导致较低的平台容量,相较与市售的碳材料没有优势;比表面过高会导致极微孔和超微孔的出现,进而影响材料的倍率性能。
在本发明提供的方法中,所述多孔碳粉末的平均孔径优选为0.1~3nm,具体可为0.1nm、0.2nm、0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm、1nm、1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm、2nm、2.1nm、2.2nm、2.3nm、2.4nm、2.5nm、2.6nm、2.7nm、2.8nm、2.9nm或3nm。在本发明中,孔径过大会导致沉积钠的金属性增强,为电池带来短路的风险,且较大的孔径会使材料的比表面降低,导致储钠容量减少;孔径过小则会影响离子在固相中的传输,带来倍率性能和储钠容量的损失。
在本发明提供的方法中,所述成炭剂为聚乙二醇、葡萄糖、山梨醇、焦磷酸哌嗪、三嗪、季戊四醇、淀粉和二季戊四醇中的一种或多种。在本发明中,不同种类的成炭剂在加热碳化时会产生成分和尺寸不同的含碳小分子,对多孔碳材料的孔口修饰效果并不相同;另外,选择廉价的成炭剂有利于降低碳材料的生产成本。
在本发明提供的方法中,所述多孔碳粉末与成炭剂的质量比优选为1:(0.02~5),更优选为1:(1~5),具体可为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5或1:5。
在本发明提供的方法中,所述混合过程中优选还添加催化剂,用于促进成炭剂的碳化分解,缩短碳化时间,提高碳层对多孔碳基体的包覆效果;所述催化剂为Fe、Co、Ni、Cu、Au、Ag、Pt和Pb中的一种或多种;所述催化剂与成炭剂的质量比优选为(0.5~2):100,具体可为0.5:100、1:100、1.5:100或2:100。
在本发明提供的方法中,所述加热碳化优选在保护气体气氛中进行;所述保护气体优选为氩气、氮气和氢气中的一种或多种,更优选为氢气。在本发明中,选择氢气作为更优的保护气体是因为氢气为具有还原性的气氛,有利于降低碳材料的氧含量,有利于提高碳材料的低电位平台容量和倍率性能。
在本发明提供的方法中,加热碳化过程中,所述保护气体的流量优选为10~100mL/min,具体可为10mL/min、15mL/min、20mL/min、25mL/min、30mL/min、35mL/min、40mL/min、45mL/min、50mL/min、55mL/min、60mL/min、64mL/min、65mL/min、70mL/min、75mL/min、80mL/min、85mL/min、90mL/min、95mL/min或100mL/min。在本发明中,适当选择较低的保护气体的流量更有利于降低生产成本。
在本发明提供的方法中,所述加热碳化的升温速率优选为0.1~20℃/min,具体可为0.1℃/min、0.5℃/min、1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min、11℃/min、12℃/min、13℃/min、14℃/min、15℃/min、16℃/min、17℃/min、18℃/min、19℃/min或20℃/min。在本发明中,适当选择较低的升温速率更有利于降低生产成本。
在本发明提供的方法中,所述加热碳化的终点温度优选为300~1200℃,更优选为300~800℃,具体可为300℃、320℃、350℃、370℃、400℃、420℃、450℃、470℃、500℃、520℃、550℃、570℃、600℃、620℃、650℃、670℃、700℃、720℃、750℃或800℃。在本发明中,若加热碳化的温度较低,会导致成炭剂沉积速率变慢,使得积碳向前驱体更深层次地发展,影响内部孔道的连贯性,进而影响材料的倍率性能,且较低的加热碳化温度还会导致成炭剂分解不充分,无法实现对多孔碳基体的充分包覆,进而导致首次库伦效率的降低以及平台容量的减少;若加热碳化的温度较高,会导致成炭剂剧烈裂解,造成沉积程度过高以及无效能耗的增加。
在本发明提供的方法中,所述加热碳化的保温时间优选为0.1~10h,具体可为0.1h、0.3h、0.5h、0.7h、1h、1.2h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、6h、7h、8h、9h或10h。在本发明中,若保温时间不足,则成炭量不足,对多孔碳基体的包覆效果不明显;若保温时间过长,会导致成炭过多,对多孔碳基体的包覆效果不可控,降低碳材料的低电位平台容量。
在本发明提供的方法中,所述冷却的降温速率优选为0.1~20℃/min,具体可为0.1℃/min、0.5℃/min、1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min、11℃/min、12℃/min、13℃/min、14℃/min、15℃/min、16℃/min、17℃/min、18℃/min、19℃/min或20℃/min;所述冷却的终点温度优选为10~40℃,具体可为10℃、15℃、20℃、25℃(室温)、30℃、35℃或40℃。在本发明中,若降温速率过快,会导致成炭过多,对多孔碳基体的包覆效果不可控,降低碳材料的低电位平台容量;降温速率过慢,会造成碳材料的生产时间过长,增加生产成本。
本发明提供的碳材料制备方法采用成炭剂制备碳层包覆多孔碳颗粒的结构,在调节多孔碳表面孔口尺寸的同时,可以保留多孔碳内部孔道的连贯性,有助于钠离子在孔道内部的快速扩散和储存;同时所选用的成炭剂具有合适的分子动力学直径,有助于吸附在精准匹配的多孔碳颗粒上,提高成炭质量和成炭效率;材料的内部孔容可以提供充足的储钠空间,同时实现快速的离子传输。本发明制备的碳材料具有优异的平台容量、首次库伦效率和倍率性能,在钠离子电池生产制造领域具有良好的应用前景。更具体来说,本发明提供的制备方法至少具有如下优点:
(1)该方法所用多孔碳原料来源广泛,廉价易得;
(2)该方法操作简单,只需要一步碳化处理,目标结构易通过控制反应的参数来实现;
(3)该方法能耗较低,加热碳化温度(300~800℃)低于一般碳的制备温度(高于1400℃),可降低能耗和减少污染物排放;
(4)该方法将多孔碳负极的容量实现最大化,50mA/g电流密度下高达350~490mAh/g,并在500mA/g电流密度下容量保持率达到70%以上,功率特性得到显著改善。
本发明还提供了一种碳材料,所述碳材料按照上述技术方案所述的制备方法制得,该碳材料包括多孔碳颗粒和复合在所述多孔碳颗粒表面的碳层;所述碳层为致密结构,能够降低多孔碳的比表面积并增加碳的储钠位点,且不会影响多孔碳内部连贯的孔道结构。
本发明提供的碳材料可以提供充足的储钠空间,同时实现快速的离子传输,具有优异的平台容量、首次库伦效率和倍率性能,在钠离子电池生产制造领域具有良好的应用前景。
本发明还提供了一种钠离子电池,所述钠离子电池包括正极、负极和电解液。
在本发明提供的钠离子电池中,所述正极的活性物质优选为过渡金属层状氧化物、钠聚阴离子化合物、普鲁士蓝和普鲁士白中的一种或多种。
在本发明提供的钠离子电池中,所述负极包括负极活性物质、导电剂和粘接剂;其中,所述负极活性物质为上述技术方案所述的碳材料;所述导电剂优选为SUPER-P、KS-6、导电石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维VGCF、乙炔黑和科琴黑中的一种或多种;所述粘接剂为PVDF、CMC、SBR、PTFE、SA、PAA和PAN中的一种或多种。
在本发明提供的钠离子电池中,所述电解液包括有机溶剂和钠盐;其中,所述有机溶剂优选为EC、PC、DMC、DEC、EMC、EA、FEC和VC中的一种或多种;所述钠盐优选为NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaFSI和NaTFSI中的一种或多种。
本发明提供的技术方案利用成炭剂加热碳化在多孔碳颗粒表面包覆形成致密碳层,该致密碳层能够调节多孔碳的孔口尺寸,降低多孔碳的比表面积,并增加储钠位点,且不会影响多孔碳内部连贯的孔道结构,破坏离子的固相扩散通道。
本发明提供的钠离子电池以本发明提供的碳材料作为负极活性物质,具有优异的平台容量、首次库伦效率和倍率性能,市场前景广阔。
为更清楚起见,下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1:
本实施例提供了一种高能量密度钠离子电池用碳材料的制备方法,该碳材料包括多孔碳颗粒和复合在所述多孔碳颗粒表面的碳层,该碳层仅复合在多孔碳颗粒表面,在缩小多孔碳颗粒表面孔口尺寸的同时,并不会影响多孔碳颗粒内部连贯的孔道结构;具体制备过程如下:
第一步,将微孔活性碳(活化石油焦AC-SYJ)研磨至粒径为10μm左右,得到内部具有丰富纳米孔道的多孔碳粉末;
第二步,将研磨后的微孔活性炭0.5g与成炭剂聚乙二醇(PEG1000)2.5g均匀混合后研磨;
第三步,将第二步中的微孔活性炭与成炭剂粉末放入管式炉中,通入流量为64mL/min的保护气体氩气,以5℃/min的速率升温至终温500℃;
第四步,在500℃终温条件下,恒温反应1h后,以5℃/min的降温速率进行降温至室温,得到钠离子电池用碳材料。
实施例1中研磨后的多孔碳粉末的SEM图如图1所示,可以看出:研磨后的多孔碳粉末的一次颗粒粒径约为0.2μm,二次颗粒粒径约为10μm。
实施例1中研磨后的多孔碳粉末的氮气(77K)吸脱附曲线如图2所示,可以看出:该多孔碳粉末的比表面积为1847m2/g。
实施例1中研磨后的多孔碳粉末的孔径分布曲线如图3所示,可以看出:该多孔碳粉末的孔径兼具微孔和中孔,分布于0.8~2nm。
实施例1提供的钠离子电池用碳材料的氮气(77K)吸脱附曲线如图4所示,可以看出:该钠离子电池用碳材料的孔道结构不能被氮气检测,由氮气在77K下测试所得的比表面积约为0m2/g。
组装测试用电池:以实施例1提供的钠离子电池用碳材料作为活性物质,负极导电添加剂选择Super-P、负极粘结剂选择PVDF,活性物质、导电添加剂和粘接剂的质量比为8:1:1,负极集流体为铜箔;电解液中,电解质为NaClO4,溶剂为体积比为1:1的EC和DEC;对电极为钠片;同时,设置对照组,对照组的负极活性物质为未经成炭剂处理的多孔碳粉末。实施例1提供的钠离子电池用碳材料和未经成炭剂处理的多孔碳粉末所组装的测试用电池的首圈充放电曲线如图5所示,可以看出:相较于未经成炭剂处理的多孔碳粉末,碳材料的电化学性能更为优异,其具有高达73%的首次库伦效率,可逆比容量高达432mAh/g,其中低电位平台比容量为285mAh/g。
实施例2:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:将活化石油焦AC-SYJ替换为微孔活性碳ACF。
对本实施例制备的钠离子电池用碳材料进行Raman图谱分析,结果显示:该钠离子电池用碳材料在325 nm激光下所测的表相结构与沉积碳相同,而在532 nm激光下所测的体相结构与微孔活性碳纤维相同,表明积碳只包覆于颗粒表面。
实施例3:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:将活化石油焦AC-SYJ替换为微孔活性碳CEP21KSN。
实施例4:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:将活化石油焦AC-SYJ替换为层次孔活性碳,并研磨至粒径为1μm。
实施例5:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:将碳化的终温调整为800℃。
实施例6:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:采用季戊四醇作为成炭剂。
实施例7:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:采用葡萄糖作为成炭剂。
实施例8:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:采用山梨醇作为成炭剂。
实施例9:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:采用焦磷酸哌嗪作为成炭剂。
实施例10:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:采用三嗪作为成炭剂。
实施例11:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:采用淀粉作为成炭剂。
实施例12:
参照实施例1的制备过程,其区别仅在于:保护气体采用氢气,流量调整为50mL/min。
性能评价:
对实施例1~12中所用多孔碳粉末的粒径、比表面积、孔径以及制得的碳材料的电化学性能进行评价;其中,在电化学性能的测试过程中,负极导电添加剂为Super-P、负极粘结剂为PVDF,活性物质(碳材料)、导电添加剂和粘接剂的质量比为8:1:1,负极集流体为铜箔;电解液中,电解质为NaClO4,溶剂为体积比为1:1的EC和DEC,对电极为钠片;测试该碳材料的倍率性能(1C,500mA/g)和质量比容量(0.1C,50mA/g)。
测试结果如表1所示:
表1 实施例1~12的测试结果
由表1可以看出:本发明实施例制备的碳材料具有较高的质量比容量(在0.1C、50mA/g下为350~490mAh/g)和倍率性能(在1C、500mA/g下的容量保持率高于70%)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将多孔碳粉末与成炭剂混合,加热碳化,冷却,得到碳材料;
所述成炭剂为聚乙二醇、葡萄糖、山梨醇、焦磷酸哌嗪、三嗪、季戊四醇、淀粉和二季戊四醇中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述多孔碳粉末的粒径D50为1~20μm;所述多孔碳粉末的比表面积为500~3000m2/g;所述多孔碳粉末的平均孔径为0.1~3nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述多孔碳粉末由多孔碳前驱体研磨制成,所述多孔碳前驱体为微孔活性碳、层次孔活性碳、模板多孔碳和多孔石墨烯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述多孔碳粉末与成炭剂的质量比为1:(0.02~5)。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合过程中还添加催化剂;所述催化剂为Fe、Co、Ni、Cu、Au、Ag、Pt和Pb中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述加热碳化在保护气体气氛中进行;所述保护气体为氩气、氮气和氢气中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述加热碳化的升温速率为0.1~20℃/min;所述加热碳化的终点温度为300~1200℃;所述加热碳化的保温时间为0.1~10h。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述冷却的降温速率为0.1~20℃/min。
9.一种碳材料,其特征在于,按照权利要求1~8任一项所述的制备方法制得。
10.一种钠离子电池,其特征在于,所述钠离子电池的负极包括权利要求1~8任一项所述制备方法制得的碳材料或权利要求9所述的碳材料。
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