一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法技术

一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，将蔗糖和氢氧化钾混合研磨后溶于乙二醇‑水混合溶剂中得溶液A；将溶液A冷冻干燥后置于管式气氛炉中进行一步热解和碳化得碳化产物；将碳化产物进行抽滤洗涤至中性，干燥研磨后即得到钠离子电池多孔碳负极材料。本发明专利技术工艺流程简单，反应温度低、时间短，无需后续处理，对环境友好；且所制备的产物形貌分布均匀，具有多孔结构，有利于电解液和电极材料的充分接触和电解液的完全渗透，可以显著改善材料的电化学性能，并且具有成本低、可大规模生产的优点。

A Method of Preparing Porous Carbon Anode Materials for Sodium Ion Batteries Based on Sucrose

【技术实现步骤摘要】
一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法
本专利技术属于钠离子电池碳负极材料制备
，具体涉及一种基基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法。技术背景钠离子电池(SIBs)被认为是大型固定储能最有希望的二次电池，因为钠源的取之不尽，用之不竭，成本低，环境友好。尽管如此发展SIBs仍然处于起步阶段，大部分研究都集中在目前电极材料的选择上。近年来，已经广泛研究了诸如层状氧化物和磷酸盐的正极材料，并且通过优化形态和结构，它们中的一些显示出相当大的比容量，倍率性能和循环稳定性。特别是Na3V2(PO4)3，显示出优异的综合性能，被认为是潜在的商业正极材料。相比之下，负极材料的研究缓慢且不充分，这已经成为SIBs进步的瓶颈。众所周知，用于SIBs的所需负极材料应具有以下特征：高钠离子存储容量，钠插入和提取期间良好的结构稳定性，良好的电子传导性，资源丰度等。迄今为止，许多材料，如合金，磷，有机化合物，钛基氧化物和无定形碳[S.Komaba,W.Murata,T.Ishikawa,N.Yabuuchi,T.Ozeki,T.Nakayama,etal.,ElectrochemicalNainsertionandsolidelectrolyteinterphaseforhard-carbonelectrodesandapplicationtoNa-ionbatteries,Adv.Funct.Mater.21(20)(2011)3859–3867.]，作为负极进行了研究，对SIBs进行了研究。合金显示出较大的可逆容量，而在Sodiation期间Sn(～520％)和Sb(～390％)的大体积膨胀限制了它们的循环稳定性。磷和有机化合物也可以提供高可逆容量，但由于其低电子导电性，它们的倍率性能不能令人满意。Ti基氧化物通常表现出有限的钠储存能力。相比之下，无定形碳是最有希望的。Stevens和Dahn[D.Stevens,J.Dahn,Highcapacityanodematerialsforrechargeablesodium-ionbatteries,J.Electrochem.Soc.147(4)(2000)1271–1273.]证明硬碳的可逆容量可达到300mAhg-1。碳的高电子导电性和良好的结构稳定性使其更容易被开发为具有高倍率容量和循环稳定性的负极材料。此外，碳资源丰富，成本低，增加了它作为SIB阳极材料的吸引力。然而，钠的固态扩散系数在碳中非常低，这导致不良的倍率性能。Adelhelm[S.Wenzel,T.Hara,J.Janek,P.Adelhelm,Room-temperaturesodium-ionbatteries:improvingtheratecapabilityofcarbonanodematerialsbytemplatingstrategies,EnergyEnviron.Sci.4(9)(2011)3342–3345.]已经证明，减少钠离子的运输长度是提高倍率的有效方法。此后，空心碳纳米球和碳纳米纤维被认为是SIB的阳极材料。由于其特殊的结构，它们的两种速率性能都有很大的提高。然而，这些材料的长循环稳定性(>500)尚未实现报道。众所周知，多孔结构也是缩短钠离子传输长度的有效方法。此外，多孔结构已被证明是缓冲锂离子电池中离子插入和提取过程中体积变化的有效方法[F.Wang,R.Song,H.Song,X.Chen,J.Zhou,Z.Ma,etal.,Simplesynthesisofnovelhierarchicalporouscarbonmicrospheresandtheirapplicationtorechargeablelithium-ionbatteries,Carbon81(2015)314–321.]。所以，研究多孔结构对SIBs碳阳极材料的影响是有意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种易于实现、低成本和高导电性能的基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，所制备的多孔碳负极材料能够有效改善离子的扩散和电子传输，提高电池的性能，并且具有成本低、易于工厂化生产的优点。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：1)取1g蔗糖和0.3～1g氢氧化钾溶解于20～60ml的乙二醇-水溶剂中得溶液A；2)将溶液A冷冻干燥，得到白色前驱体B；3)将前驱体为B转移至坩埚中，后将其放入管式气氛炉中，在氩气保护气氛下以2～10℃/min的速率升温自室温升温至600～900℃保温1～3h，然后以10℃/min的降温速率冷却至300℃后自然冷却到室温得碳化产物；4)将碳化产物分别用无水乙醇和去离子水抽滤洗涤直至洗至中性，干燥后研磨即得钠离子电池用多孔碳负极材料。所述步骤1)的蔗糖和氢氧化钾混合研磨30～60min。所述步骤1)的乙二醇-水溶剂是水：乙二醇按1～9：1的体积比混合而成。所述步骤2)冷冻干燥温度为-80～-20℃℃，冷冻干燥时间为12～36h。所述步骤3)的坩埚为三氧化二铝坩埚。所述步骤3)的氩气流速为0.1～1.0sccm/min。所述步骤4)将碳化产物先用无水乙醇清洗3次，然后再用去离子水清洗至中性。所述步骤4)的干燥温度为80～120℃，时间为8～12h。所述步骤4)所得钠离子电池用多孔碳负极材料的孔径为400～800nm。本专利技术的有益效果体现在：1)本专利技术采用简单的一步固相法制备工艺，无需添加其他模板剂，热解和碳化反应在管式气氛炉中一次性完成，无需其他后期处理，降低生产成本；2)此方法制得的多孔碳负极材料孔径在400-800nm范围。碳材料之间形成三维互联网络结构，使其具有较大的比表面积，可与电极材料充分接触，为钠离子提供较多的附着位点，从而提高电极反应的效率；3)本专利技术所采用的原料为化学成分稳定，价格低廉的的蔗糖和氢氧化钾，且本方法的工艺流程简单，易于工厂化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的钠离子电池用多孔碳负极材料的扫描图(SEM)；图2为本专利技术实施例1制备的钠离子电池用多孔碳负极材料的扫描图(TEM)；图3为本专利技术实施例1制备的钠离子电池用多孔碳负极材料的图(XRD)；具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步阐述，但是本专利技术不局限于以下实施例。实施例1：1)取1g蔗糖和0.3g氢氧化钾混合研磨30min，将水：乙二醇按1：1的体积比混合制成乙二醇-水溶剂，然后将研磨后的混合物溶解于20ml的乙二醇-水溶剂中得溶液A；2)将溶液A在-80℃冷冻干燥12h，得到白色前驱体B；3)将前驱体为B转移至三氧化二铝坩埚中，后将其放入管式气氛炉中，在氩气流速为0.1sccm/min的氩气保护气氛下以2℃/min的速率升温自室温升温至600℃保温3h，然后以10℃/min的降温速率冷却至300℃后自然冷却到室温得碳化产物；4)将碳化产物先用无水乙醇抽滤清洗3次，然后再用去离子水抽滤清洗至中性，于80℃干燥12h研磨即得孔径为400～800nm的钠离子电池用多孔碳负极材料。图1为本实施例制备的多孔碳负极材料的SEM照片，结合图1照片可知，所制备出碳材料具有多孔结构，同时具有片状结构，有利于电解液和电极材料的充分接触和电解液的完全渗透本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取1g蔗糖和0.3～1g氢氧化钾溶解于20～60ml的乙二醇‑水溶剂中得溶液A；2)将溶液A冷冻干燥，得到白色前驱体B；3)将前驱体为B转移至坩埚中，后将其放入管式气氛炉中，在氩气保护气氛下以2～10℃/min的速率升温自室温升温至600～900℃保温1～3h，然后以10℃/min的降温速率冷却至300℃后自然冷却到室温得碳化产物；4)将碳化产物分别用无水乙醇和去离子水抽滤洗涤直至洗至中性，干燥后研磨即得钠离子电池用多孔碳负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取1g蔗糖和0.3～1g氢氧化钾溶解于20～60ml的乙二醇-水溶剂中得溶液A；2)将溶液A冷冻干燥，得到白色前驱体B；3)将前驱体为B转移至坩埚中，后将其放入管式气氛炉中，在氩气保护气氛下以2～10℃/min的速率升温自室温升温至600～900℃保温1～3h，然后以10℃/min的降温速率冷却至300℃后自然冷却到室温得碳化产物；4)将碳化产物分别用无水乙醇和去离子水抽滤洗涤直至洗至中性，干燥后研磨即得钠离子电池用多孔碳负极材料。2.根据权利要求1所述的基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，其特征在于，所述步骤1)的蔗糖和氢氧化钾混合研磨30～60min。3.根据权利要求1所述的基于蔗糖制备钠离子电池用多孔碳负极材料的方法，其特征在于，所述步骤1)的乙二醇-水溶剂是水：乙二醇按1～9：1的体积比混合而成。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，何元元，曹丽云，李嘉胤，党欢，李倩颖，刘倩倩，仵婉晨，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61