一种钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法技术

一种钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法，包括以下步骤：1)将葡萄糖和氢氧化钾分别溶于乙醇‑水混合溶剂中，充分搅拌后混合均匀；2)将其在烘箱中以80‑200℃预处理得到前驱体3)然后将前驱体在管式气氛炉中进行一步热解和碳化，碳化温度600‑900℃得碳化产物；4)将碳化产物进行抽滤洗涤至中性，干燥研磨后即得到超薄碳纳米片钠离子电池负极材料。该方法操作简单，且所制备的产物形貌分布均匀，片层厚度小(20‑50nm)。三维联通结构和较大的比表面积为钠离子的快速传输提供有利条件，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。

Preparation of Ultra-thin Carbon Nanosheet Anode Material for Sodium Ion Batteries

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法
本专利技术属于钠离子电池负极材料制备
，具体涉及一种钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法。技术背景随着化石燃料的大量使用和全球环境问题的出现，以可再生能源作为主要能源替代传统能源成为当务之急。为了有效利用这些不间断的可再生能源和广泛的电力电动车辆或混合动力电动车辆，应开发先进的储能系统。由于高能量密度和低自放电率，自1991年以来，锂离子电池(LIBs)已被广泛应用于数百万台便携式电子设备和电动汽车中(DunnB,TarasconJM.Electricalenergystorageforthegrid:abatteryofchoices.[J].Science,2011,334(6058):928-35.)。锂离子电池技术在世界范围内引起了研究人员的关注然而，由于有限的锂含量(0.0065％)和锂资源在地球上的分布不均，使得LIBs成本上升。钠资源储量丰富，具有与锂相似的化学性质。因此，钠离子电池(SIBs)被认为是具有成本效益的能量储存的理想选择。然而对于实际系统和进一步的开发研究中，发现SIBs的循环稳定性，倍率能力和容量仍需要加强。即高性能和低成本的电极材料，特别是合适的负极材料，迫切需要开发。碳材料被认为是SIBs在实际应用中最有前途的负极材料。已经研究了各种碳材料，包括石墨，膨胀石墨，无定形碳，和石墨烯。在所有的碳负极候选者中，由于高电化学活性和相对低的成本，硬碳引起了很多关注。硬碳含有大量的无序结构，有缺陷和空隙，这有助于高可逆容量。但是不同的形貌结构对初始不可逆容量损失有较大的影响。Wenzel等人(WenzelS,HaraT,JanekJ,etal.Room-temperaturesodium-ionbatteries:Improvingtheratecapabilityofcarbonanodematerialsbytemplatingstrategies[J].Energy&EnvironmentalScience,2011,4(9):3342-3345.)已经证明，通过引入分级多孔结构可以获得高负载量的碳负极材料。目前已经研究了空心碳纳米球(TangK,FuL,WhiteRJ,etal.HollowCarbonNanosphereswithSuperiorRateCapabilityforSodium-BasedBatteries[J].AdvancedEnergyMaterials,2012,2(7):873-877.)，碳纳米纤维(ChenT,LiuY,PanL,etal.Electrospuncarbonnanofibersasanodematerialsforsodiumionbatterieswithexcellentcycleperformance[J].JournalofMaterialsChemistryA,2014,2(12):4117-4121.)，块状碳(ZhouX,GuoYG.HighlyDisorderedCarbonasaSuperiorAnodeMaterialforRoom-TemperatureSodium-IonBatteries[J].Chemelectrochem,2014,1(1):83–86.)和竹节状碳材料(LiD,ZhangL,ChenH,etal.Nitrogen-dopedbamboo-likecarbonnanotubes:promisinganodematerialsforsodium-ionbatteries[J].ChemicalCommunications,2015,51(89):16045-16048.)和多孔碳(陈立,李晓鹏,陈宇驰,等.废弃生物质水葫芦多孔碳用于锂离子和钠离子电池负极的研究[J].化学研究与应用,2017,29(10):1525-1529.)等不同形貌的碳材料。将不同形貌碳材料用作钠离子电池负极时均表现出优异的电化学性能。综上设计分层多孔结构是通过优化Na+的传输路径来提高碳基材料的储存容量的有效策略。因此，通过设计包含多孔纳米片的混合纳米结构也可以改善用于SIBs的碳质阳极材料的速率性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种易于实现、低成本的高导电性能的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法，所制备的超薄碳纳米片负极材料能够有效改善离子和电子的扩散传输，提高电池的性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：1)取1g葡萄糖和0.3～1g的氢氧化钾分别溶于两份10～50ml乙醇-水混合溶剂中，搅拌均匀分别制成葡萄糖溶液和氢氧化钾溶液；2)将葡萄糖溶液和氢氧化钾溶液混合搅拌均匀得前驱体B；3)将前驱体B放入烘箱中，在80～200℃预处理得到棕褐色的产物C；4)将产物C转移至坩埚中，然后将其放入真空管式炉中，在氩气保护下以2～10℃/min的升温速率自室温升温至600～900℃保温1～3h，然后以10℃/min降温速度将温度降至300℃后自然冷却到室温得到硬碳纳米片；5)将硬碳纳米片分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤至中性，干燥后得到钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料。所述步骤1)的葡萄糖和氢氧化钾分别研磨30-60min。所述步骤1)的乙醇-水混合溶剂是水：无水乙醇按1～9：1的体积比混合而成。所述步骤2)的搅拌采用磁力搅拌0.5～2.0h。所述步骤3)所述预处理时间为60～180min。所述步骤4)的坩埚为三氧化二铝坩埚。所述步骤4)氩气流速为0.1～1.0sccm/min。所述步骤5)干燥温度为80～120℃，时间为8～12h。所述步骤5)钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料片层厚度为20～50nm。本专利技术的有益的效果体现在：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和表面活性剂，热解和碳化反应在真空管式炉中一次性完成，无需其他后期处理，降低生产成本；2)此方法制得的超薄硬碳纳米片的厚度在20-50nm之间。碳纳米片之间形成三维互联网络结构，三维多孔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，从而提高电极反应效率，使其具有较高的容量。三维多孔结构的存在，既有利于电解液的扩散又有利于钠离子的迁移，促进钠离子的脱嵌，使其具有良好的倍率性能，三维多孔结构能减小电极材料的欧姆内阻有优异的导电性，因此在该条件下制备的碳材料具有良好的电化学性能。3)本专利技术所采用的原料为化学成分稳定的葡萄糖和氢氧化钾，且本方法的工艺流程简单，本方法的工艺流程简单，反应温度低、时间短，无需后续处理，对环境友好，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超薄碳纳米片负极材料的XRD图；图2为本专利技术实施例2制备的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的SEM图；图3为本专利技术实施例3制备的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的SEM图；图4为本专利技术实施例1制备的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的Raman图；图5为本专利技术实施例1制备的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的TEM图。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详细说明，但是本专利技术不局限于以下实施例。实施例1：1)将水：无水乙醇按1：1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取1g葡萄糖和0.3～1g的氢氧化钾分别溶于两份10～50ml乙醇‑水混合溶剂中，搅拌均匀分别制成葡萄糖溶液和氢氧化钾溶液；2)将葡萄糖溶液和氢氧化钾溶液混合搅拌均匀得前驱体B；3)将前驱体B放入烘箱中，在80～200℃预处理得到棕褐色的产物C；4)将产物C转移至坩埚中，然后将其放入真空管式炉中，在氩气保护下以2～10℃/min的升温速率自室温升温至600～900℃保温1～3h，然后以10℃/min降温速度将温度降至300℃后自然冷却到室温得到硬碳纳米片；5)将硬碳纳米片分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤至中性，干燥后得到钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取1g葡萄糖和0.3～1g的氢氧化钾分别溶于两份10～50ml乙醇-水混合溶剂中，搅拌均匀分别制成葡萄糖溶液和氢氧化钾溶液；2)将葡萄糖溶液和氢氧化钾溶液混合搅拌均匀得前驱体B；3)将前驱体B放入烘箱中，在80～200℃预处理得到棕褐色的产物C；4)将产物C转移至坩埚中，然后将其放入真空管式炉中，在氩气保护下以2～10℃/min的升温速率自室温升温至600～900℃保温1～3h，然后以10℃/min降温速度将温度降至300℃后自然冷却到室温得到硬碳纳米片；5)将硬碳纳米片分别用去离子水和无水乙醇抽滤洗涤至中性，干燥后得到钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料。2.根据权利要求1所述的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)的葡萄糖和氢氧化钾分别研磨30-60min。3.根据权利要求1所述的钠离子电池用超薄碳纳米片负极材料的制备方法，其特征在于，所述...

【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