一种负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种负极材料及其制备方法和应用，该负极材料为平均粒径1

【技术实现步骤摘要】
一种负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池
，尤其涉及一种负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]和锂离子电池相比，钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等优势。其有望取代锂离子电池应用于大规模储能系统和低速电动车等领域。电极是钠离子电池重要组成部分，其结构特性对钠离子电池电化学性能起着至关重要的作用。目前锂离子电池商业化的石墨电极层间距较小，且其在酯基电解液中无法与钠离子形成热力学稳定的化合物。虽然在醚基电解液中溶剂化钠离子可以共嵌到石墨电极中，但其容量较低，无法满足高能量密度钠离子电池的发展需求。
[0003]硬碳来源丰富，其具有短程有序、长程无序的结构，由大量交错堆积的石墨微晶层和丰富的微孔及缺陷组成，可以为储钠提供丰富的活性位点，表现出较低的嵌钠平台和较高的储钠容量，是最有希望推动钠离子电池商业化的电极材料。然而目前常用的钠离子电池硬碳负极首次库伦效率较低(<70%)，倍率性能较差，阻碍了其商业化应用。因此，开发具有高首次效库伦率、高功率特性的硬碳电极材料是目前钠离子电池的研发重点和热点。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种负极材料及其制备方法和应用，具有比表面积较低、碳层间距可控的优势，且表现出较高的首次库伦效率和高功率特性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术在第一个方面提供了一种负极材料，负极材料以酚醛树脂和木质素为原料，加入溶剂后混合，经加热形成交联产物后，在惰性气氛下高温碳化而成，负极材料为不规则的颗粒状块体，颗粒状块体平均粒径1
‑
5μm。
[0006]本专利技术在第二个方面提供了一种负极材料的制备方法，用于制备上述的负极材料,包括以下步骤：将酚醛树脂和木质素在溶剂中充分混合均匀，得到混合物；将混合物加热处理，得到交联产物；将交联产物在惰性气氛下进行高温碳化处理，得到负极材料。
[0007]可选的，酚醛树脂和木质素的质量比范围为1:9
‑
9:1。
[0008]可选的，木质素为醇分散性木质素，酚醛树脂为醇溶性热塑性酚醛树脂。
[0009]可选的，加热处理的温度为150℃
‑
200℃，加热处理的时间为10
‑
24h。
[0010]可选的，高温碳化处理的升温速率为1
‑
10℃
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‑1，高温碳化处理温度为700℃
‑
1700℃，高温碳化处理时间为1
‑
12h。
[0011]本专利技术在第三个方面提供了一种负极，应用上述的负极材料，包括集流体铜箔和覆盖于集流体铜箔表面的活性层，活性层为负极材料、导电剂、粘结剂的混合物。
[0012]本专利技术在第四个方面提供了一种负极的制备方法，用于制备上述的负极,包括以
下步骤：将负极材料、导电剂、粘结剂混合得到混合物；将混合物均匀研磨得到研磨物；将研磨物加入溶剂均匀混合得到混合浆料；将混合浆料均匀涂覆于集流体铜箔；干燥后得到负极。
[0013]可选的，负极材料、导电剂和粘结剂的质量比为9:0.5:0.5、8:1:1或9:0:1；导电剂为乙炔黑和Super P中的至少一种物质；粘结剂为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠和PVDF中的至少一种物质；溶剂为去离子水和N
‑
甲基吡咯烷酮中的至少一种物质。
[0014]本专利技术在第五个方面提供了一种电池，应用上述负极作为该电池的负极，还包括电解液，电解液由钠盐和有机溶剂组成；钠盐为NaPF6、NaClO4、NaFSI、NaTFSI和NaBF4中的至少一种物质；有机溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、四乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚和乙二醇二甲醚中的至少一种物质。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术将自身富有丰富官能团的酚醛树脂和木质素作为原料，通过加热升温处理，使其官能团充分发生固化交联反应，后经高温碳化处理制备硬碳材料。在升温固化反应的过程中，木质素的酚羟基和酚醛树脂中的不饱和醛基发生反应，酚醛树脂和木质素的长链状结构发生重排，生成相互交联的反应中间体。通过调控酚醛树脂和木质素的比例，控制反应中间体结构，进而通过调控碳化温度，实现酚醛树脂/木质素基硬碳表面缺陷和层间距的控制，得到具有低表面缺陷、低比表面积和较大层间距的负极材料，有利于离子的嵌入/脱出及快速迁移，从而获得优异的电化学性能。将该负极用于钠离子电池，表现出较高的首次库伦效率、储钠容量及功率性能。以本专利技术提供的制备方法得到的负极材料用于钠离子电池负极时，表现出87%的首次库伦效率，可逆容量为404 mA h g
‑1，100次循环后，容量保持率为91%(基于第5次循环)，电流密度为6 C时，可逆容量可达205 mA h g
‑1。
[0016]综上，本专利技术制备的负极材料兼具低成本、高首次库伦效率和高功率性能等优势，且制备方法简单，制备过程无污染，适合规模化生产，具有较好的实用化前景。
附图说明
[0017]附图示出了本专利技术的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本专利技术的原理，其中包括了这些附图以提供对本专利技术的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0018]图1为实施例7所制备的负极材料的SEM图；图2为实施例7所制备的负极材料的HRTEM图；图3为实施例7所制备的负极材料的XRD图谱；图4为实验例中测试电池的首次充放电曲线图；图5为实验例中测试电池的倍率性能图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分。
[0020]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0021]实施例1一种负极材料的制备方法，具体步骤如下：步骤(1):将1g木质素分散于100ml乙醇中，在500rpm的搅拌速度下，于室温搅拌0.5h，直至组分分散均匀。
[0022]步骤(2):将9g醇溶性热塑性酚醛树脂加入到步骤(1)的分散液中，在500rpm的搅拌速度下，于室温下搅拌4h，直至组分分散均匀。
[0023]步骤(3):将步骤(2)所得的木质素和酚醛树脂混合溶液，在500rpm的搅拌速度下，于60℃加热连续搅拌，直至溶剂乙醇完全挥发。
[0024]步骤(4):将步骤(3)得到的木质素和酚醛树脂的混合物置于鼓风烘箱中，于150℃下加热固化反应24h，得到木质素和酚醛树脂的交联产物。
[0025]步骤(5):将步骤(4)得到的木质素和酚醛树脂的交联产物置于管式炉中在惰性气氛下进行碳化处理。设定升温速率为2℃
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‑1，碳化温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料以酚醛树脂和木质素为原料，加入溶剂后混合，经加热形成交联产物后，在惰性气氛下高温碳化而成，所述负极材料为不规则的颗粒状块体，所述颗粒状块体平均粒径1
‑
5μm。2.一种负极材料的制备方法，用于制备权利要求1所述的负极材料,其特征在于，包括以下步骤：将酚醛树脂和木质素在溶剂中充分混合均匀，得到混合物；将所述混合物加热处理，得到交联产物；将所述交联产物在惰性气氛下进行高温碳化处理，得到负极材料。3.根据权利要求2所述的一种负极材料的制备方法,其特征在于，所述酚醛树脂和所述木质素的质量比范围为1:9
‑
9:1。4.根据权利要求2所述的负极材料的制备方法,其特征在于，所述木质素为醇分散性木质素，所述酚醛树脂为醇溶性热塑性酚醛树脂。5.根据权利要求2所述的负极材料的制备方法,其特征在于，所述加热处理的温度为150℃
‑
200℃，所述加热处理的时间为10
‑
24h。6.根据权利要求2
‑
5任一所述的负极材料的制备方法,其特征在于，所述高温碳化处理的升温速率为1
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10℃
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‑1，所述高温碳化处理温度为700℃
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【专利技术属性】
技术研发人员：史璐，孙亚迪，刘伟，赵樊俊，丁建宁，程广贵，祝俊，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：