一种碳纳米片矩阵材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米片矩阵材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用，将木质素、间苯二酚、甲醛和碳酸钠原料通过溶液法制备木质素凝胶；所述木质素凝胶先置于400～1600℃温度下进行碳化，再置于600～1000℃温度下，通过氯化镁活化，即得碳纳米片矩阵材料；该方法原料易得，制备工艺简单，重复性好；制备的碳纳米片材料具有石墨化程度低、片层结构规整、比表面积大、反应活性位点丰富、层间距适中、导电性好等优点，将其用于钠离子电池，展示出良好的电池性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳材料的制备方法，特别涉及一种碳纳米片阵矩材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用，属于钠离子电池领域。
技术介绍
钠离子电池凭借钠储量丰富，可借鉴现有电池成果等优势，成为新一代二次电池体系的研究热点。但钠离子电池负极电压高和钠离子半径大等问题，给高效钠离子电池开发提出了很多难题。电极材料决定着电池的容量、工作电压和循环寿命等重要的参数。虽然钠离子电池中的反应机制与锂离子电池中相似，然而，钠离子比锂离子要大55％左右，钠离子在相同结构材料中的嵌入和扩散往往都相对困难，同时嵌入后材料的结构变化会更大，因而电极材料的比容量、动力学性能和循环性能等都相应地变差。如，石墨在锂离子电池中是优良的负极材料，而钠离子却难以嵌入到石墨层中，由此可见在借鉴锂离子电池现有成果同时必须针对钠离子特点开发出储钠性能优异的材料。现有钠离子电池负极材料中，碳材料是研究最早也是研究较多的负极材料。硬碳材料凭借其比容量高，倍率性能好，循环寿命长等优点，成为研究较多的碳材料种类。对于硬碳储钠容量主要来源于活性位点、低石墨化微晶区和微孔区等，然而硬碳材料作为钠离子电池负极材料，普遍存在着放电平台低等问题，严重抑制了硬碳作为钠离子电池负极的应用。因此开发结构合适的钠离子电池负极材料是开发高效钠离子电池急需解决的问题。对碳材料进行形貌结构调控是解决现有钠离子电池碳负极材料存在问题的一个重要方向。
技术实现思路
针对现有钠离子电池负极材料存在的问题，本专利技术的一个目的是在于提出一种层间距适中、比表面积大、反应活性位点丰富、低石墨化碳纳米片矩阵材料的制备方法，该方法原料易得、成本低廉、绿色环保、可控度高、重复性好、易于实现工业化生产。本专利技术的另一个目的是在于提供所述碳纳米片矩阵材料在制备钠离子电池材料中的应用，制备的钠离子电池倍率性能优异、循环性能好。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种碳纳米片矩阵材料的制备方法，将木质素、间苯二酚、甲醛和碳酸钠原料通过溶液法制备木质素凝胶；所述木质素凝胶先置于400～1600℃温度下进行碳化，再置于600～1000℃温度下，通过氯化镁活化，即得。本专利技术的技术方案，关键在于通过溶液法制备木质素凝胶，再结合高温碳化和活化的方法制备碳纳米片阵矩材料。通过采用自然界广泛存在的木质素作为交联剂，以二酚和甲醛作为聚合物原料经过溶液聚合，得到孔隙丰富、高弹性的木质素凝胶碳源，相比普通水凝胶具有更高的弹性，结构稳定性好；采用该结构的木质素凝胶经过碳化，以及采用氯化镁模板剂和催化剂进行活化，得到比表面积大，孔隙度高，层间距适中低石墨化碳纳米片矩阵材料，克服碳材料普遍存在的层间距过大或过小的问题，避免常规方法制备碳纳米片采用难处理或昂贵模板的使用。此外，本专利技术采用的原料绿色环保，廉价易得，制备工艺简单、可操作性强，重复性好，适合工业化生产。该钠离子电池碳纳米片阵矩材料与电解液润湿性好，层间距适中，具有良好的钠离子嵌入和脱出能力。优选的方案，将木质素、间苯二酚、甲醛和碳酸钠在溶液中进行聚合反应，得到木质素凝胶。较优选的方案，所述碳酸钠在所述溶液中的浓度为0.001～1mol/L；较优选为0.1～0.2mol/L。较优选的方案，所述木质素在所述溶液中的浓度为0.1～100g/L；较优选为1～10g/L。较优选的方案，所述间苯二酚在所述溶液中的浓度为0.1～100g/L；较优选为1～10g/L。较优选的方案，所述甲醛在所述溶液中的浓度为0.1～200g/L；较优选为1～10g/L；甲醛浓度越高，木质素凝胶的交联度越高，优选的甲醛浓度能获得交联度适宜的交联度。优选的方案，所述聚合反应条件为：温度为40～120℃，时间为1～50h。优选的方案，碳化过程中升温速率为1～20℃/min，碳化时间为0.5～5h；较优选的升温速率优选为1～10℃/min；更优选的升温速率优选为3～6℃/min，优选的升温速率有利于保持木质素凝胶原有形貌结构。优选的方案，活化过程中加入木质素凝胶碳化产物质量0.1～10倍的氯化镁作为活化剂，活化时间为0.5～10h。较优选的方案，木质素凝胶碳化产物与氯化镁质量比为(0.1～5):1；更优选的方案，木质素凝胶碳化产物与氯化镁质量比为(0.1～2):1。较优选的方案，所述碳纳米片矩阵材料由厚度为1～100nm的碳纳米片构成，所述碳纳米片矩阵材料的比表面积为10～3200m2/g；优选的比表面积为1000～3000m2/g。本专利技术的技术方案制备的碳纳米片矩阵材料具有高交联度和孔隙率，层间距适中，比表面积大，导电性好；且碳纳米片矩阵材料比表面积容易调控，通过控制活化温度和氯化镁添加量，可以很好地调控碳纳米片矩阵材料的比表面积。本专利技术还提供了所述碳纳米片矩阵材料的应用，将碳纳米片矩阵材料作为负极材料应用于钠离子电池。本专利技术的技术方案制备的碳纳米片矩阵材料应用于钠离子电池，钠离子电池碳纳米片矩阵材料与电解液润湿性好、导电性好、层间距适中、交联度高、比表面积大，能缩短钠离子传输距离，具有良好的钠离子嵌入和脱出能力，对钠离子嵌入脱嵌引起的体积膨胀收缩问题提供缓冲作用，为钠离子和电解液传输提供良好动力学条件。本专利技术的技术方案制备的低石墨化碳纳米片矩阵材料层间距适中，反应活性位点丰富、与电解液润湿性好，钠离子嵌入脱出距离短，比表面积大，实现了低石墨化层间距适中的碳纳米片材料的制备，可使储钠性能得到显著提高。本专利技术的碳纳米片矩阵材料的制备方法，包括以下具体步骤：步骤(1)：将木质素、间苯二酚和甲醛依次加入到溶液中，最后加入碳酸钠，保温40～100℃，保温时间1～40h，碳酸钠浓度为0.001～1mol/L；木质素浓度为0.1～100g/L；间苯二酚浓度0.1～100g/L，甲醛浓度为1～200g/L；混合溶液保温温度为40～120℃，保温时间为1～50h；得到木质素凝胶；步骤(2)：将木质素凝胶经过碳化处理，碳化温度400～1600℃，碳化时间为1～5h；在惰性气氛中进行碳化；步骤(3)：将凝胶碳化产物与氯化镁混合研磨，凝胶碳化产物与氯化镁质量比为(0.1～10):1；活化温度为700～1000℃，活化时间为1～10h；得到低石墨化碳纳米片矩阵材料。相对于现有技术，本专利技术的技术方案带来的有益技术效果：1、本专利技术的技术方案采用自然界广泛存在的高分子木质素作为交联剂，经过溶液法得到高交联、高弹性木质素凝胶，在此基础上经过高温碳化，再采用氯化镁作为模板、造孔剂和催化剂进行活化，得到低石墨化碳纳米片矩阵材料，该方法采用原料廉价易得，工艺简单，重现性好，环境友好，绿色环保，适合工业化生产。2、本专利技术的技术方案采用交联度高木质素凝胶作为碳源，得到反应活性位点丰富、层间距适中，比表面积大，孔隙率高，交联度高，机械强度高，导电性好，石墨化程度低的碳纳米片矩阵材料。3、本专利技术的技术方案制备的低石墨化碳纳米片矩阵材料克服了现有碳材料普遍存在的反应活性位点缺乏和层间距过大或过小的问题，低石墨化碳纳米片矩阵材料的导电性好、比表面积大，交联度高，层间距适中，反应活性位点丰富，能缩短钠离子传输距离，增多钠离子反应活性位点，对钠离子嵌入脱嵌引起的体积膨胀收缩问题提供良好的缓解；碳纳米片材料片层结构与电解液和钠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米片矩阵材料的制备方法，其特征在于：将木质素、间苯二酚、甲醛和碳酸钠原料通过溶液法制备木质素凝胶；所述木质素凝胶先置于400～1600℃温度下进行碳化，再置于600～1000℃温度下，通过氯化镁活化，即得。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米片矩阵材料的制备方法，其特征在于：将木质素、间苯二酚、甲醛和碳酸钠原料通过溶液法制备木质素凝胶；所述木质素凝胶先置于400～1600℃温度下进行碳化，再置于600～1000℃温度下，通过氯化镁活化，即得。2.根据权利要求1所述的碳纳米片矩阵材料的制备方法，其特征在于：将木质素、间苯二酚、甲醛和碳酸钠在溶液中进行聚合反应，得到木质素凝胶。3.根据权利要求2所述的碳纳米片矩阵材料的制备方法，其特征在于：所述碳酸钠在所述溶液中的浓度为0.001～1mol/L；所述木质素在所述溶液中的浓度为0.1～100g/L；所述间苯二酚在所述溶液中的浓度为0.1～100g/L；所述甲醛在所述溶液中的浓度为0.1～200g/L。4.根据权利要求2所述的碳纳米片矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治安，陈玉祥，李劼，吴志星，郭坚，谢崇亮，车袁航，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43