【技术实现步骤摘要】
本申请涉及钠离子电池，尤其是涉及氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法及制备的材料、包含该材料的钠离子电池及制备方法。
技术介绍
1、可充电锂离子电池由于其高能量密度和长循环寿命，是开启便携式电子产品、电动汽车和大规模电网储能等领域发展的重要催化剂。然而，锂的不均匀分布和有限的资源将人们的注意力转向其他可替代的可充电电池技术。目前在研的钠离子电池由于其资源的高丰富度和低成本以及相似的电化学行为被广泛认为是锂离子电池的潜在替代品之一。然而，钠离子的大尺寸导致其扩散速率较慢，大电流长循环稳定性不理想，并且在反复充放电过程中存在显著的体积变化。
2、红磷以其高比容量及较低的工作电位备受研究人员关注，被认为是一种理想的负极材料。然而，红磷在钠化和脱钠过程中存在体积变化大和固有的电导率差，导致其容量衰减迅速，氧化还原反应动力学缓慢，严重限制了红磷在钠离子电池负极材料上的实际应用。
3、因此，开发一种能够有效容纳红磷纳米粒子的碳基体，改善电极材料的电子电导，同时缓冲体积效应，对于获得高比容量、高稳定性的红磷负极材料具有极大的现实意义。
技术实现思路
1、为了获得高比容量、高稳定性的红磷负极材料，解决红磷负极材料在钠离子电池循环过程中表现出电子电导率低、体积变化大的问题，本申请提供一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法及制备的材料、包含该材料的钠离子电池及制备方法。
2、第一方面，本申请提供一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，采用如下的技术方
3、一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，包括以下步骤：
4、将尿素和对苯二异氰酸酯在溶剂中反应，得到聚合物分子；
5、在惰性气体环境下，对所述聚合物分子进行炭化处理，得到具有纳米层结构的碳材料；
6、将所述碳材料与聚四氟乙烯进行机械研磨得到混合料，将混合料烧结后得到具有氟元素掺杂的碳纳米片；
7、将红磷通过蒸发-冷凝的方式渗入所述碳纳米片内部，得到氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料。
8、通过采用上述技术方案，以尿素和对苯二异氰酸酯作为原料，通过聚合反应得到碳纳米片；在原有碳纳米片层结构的基础上，使用聚四氟乙烯作为氟源，采用高温热处理方式，在上述碳基体上引入氟原子，得到了一种富氟掺杂的三维碳纳米材料；后续通过蒸发-冷凝的方式，将红磷渗入该三维结构内，得到可应用于钠离子电池的红磷/碳复合负极材料。
9、本申请中，三维碳材料可以有效缓冲红磷在钠离子脱嵌过程中的体积变化，且能够提高红磷/碳电极的电子电导率。此外，引入的氟原子能够形成c-f强化学键，有利于进一步加强红磷与碳材料之间的相互作用，使红磷能够稳定附着在纳米片层中制备出具有纳米片层结构的碳材料。通过上述制备方法，能够得到有效应用于钠离子电池的高容量、高稳定性的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料。
10、在一个具体的可实施方案中，所述尿素和对苯二异氰酸酯的质量比为8-12：1。
11、通过采用上述技术方案，以尿素和对苯二异氰酸酯为单体，通过对苯二异氰酸酯中的异氰酸基团的氨基与尿素的氨基成键聚合，形成以脲为重复单元的连续稳定纳米结构高聚物；通过优化尿素与对苯二异氰酸酯的质量比，使得合成的聚合物分子的产率更高。
12、在一个具体的可实施方案中，所述炭化处理时的温度为400-500℃，时间为25-35min。
13、通过采用上述技术方案，在惰性气体保护下合理控制高温炭化温度和时间可得到电化学性能优异的聚脲碳材料。本申请的聚脲碳材料既具有纳米碳材料优异的电化学特性，还能够实现分子层面调控纳米碳材料，热稳定高，结构稳定性好。
14、在一个具体的可实施方案中，所述碳纳米片和聚四氟乙烯的质量比为5-15:1。
15、通过采用上述技术方案 ，氟原子掺杂在碳纳米材料中，形成c-f强化学键，因为f原子的电负性较大，电子密度偏向于f原子一侧，使得c-f键具有极性，导致碳材料表面能降低，有利于加强红磷与碳材料之间的相互结合，使红磷能够稳定附着在纳米片层中；当氟元素掺杂后，碳材料引入氟原子含量过高，分散不均匀，难以发挥掺杂效果，降低后续电池性能；当碳材料引入氟原子含量过低，导致掺杂后的碳材料无法发挥电池性能，掺杂效果不理想，对应电池容量下降；本申请通过优化碳纳米片和聚四氟乙烯的质量比，可进一步提高氟原子在碳材料中的分散均匀性，从而提高后续电池性能。
16、在一个具体的可实施方案中，所述碳纳米片与红磷的质量比为0.5-1.5：1。
17、通过采用上述技术方案，红磷具有适宜的氧化还原点位，可避免充放电过程中形成枝晶，电池安全性好；通过将红磷负载在碳纳米片基体上，可有效缓冲红磷颗粒在充放电过程中体积的剧烈变化，改善复合材料的循环性能，使得该复合材料具有高的比容量和优异的循环性能，有助于高性钠离子电池的研发和应用。
18、在一个具体的可实施方案中，所述烧结具体为：将所述混合料置于惰性气体环境下以10℃/min升温至300-400℃，烧结30min。
19、通过采用上述技术方案，烧结温度的高低和时间的长短会影响到碳纳米片的孔隙率、致密度、强度和硬度等，进而影响红磷后续的负载率；烧结温度和时间过长，将降低碳纳米片的性能，甚至出现过烧缺陷；烧结温度过低或时间过短，碳纳米片会因欠烧而引起性能下降。
20、在一个具体的可实施方案中，所述蒸发-冷凝的方式具体为：将碳纳米片与红磷一同封装于真空石英管中，加热至800-900℃，并保温5-10h，随后降温至250-300℃，再保温10-15h，最后降至室温，即可得到氟掺杂纳米片负载红磷负极材料。
21、通过采用上述技术方案，操作步骤简单，通过优化蒸发-冷凝时的工艺参数，可制备出有效运用于钠离子电池的高容量、高稳定性的负极材料。
22、第二方面，本申请提供一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料，采用如下的技术方案：
23、一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料，采用上述氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法制备而成。
24、通过采用上述技术方案，制备方法简单且具备大规模工业化生产的能力，将红磷纳米化，并镶嵌于三维碳基体片层，同时引入c-f化学键，可有效改善红磷作为负极的储钠电学性能。
25、第三方面，本申请提供一种钠离子电池，采用如下的技术方案：
26、钠离子电池，包括上述氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料。
27、通过采用上述技术方案，以本申请制备的氟掺杂纳米片负载红磷负极材料作为钠离子电池的负极材料可有效避免红磷在钠化和脱钠过程中存在体积变化大和固有的电导率差，导致其容量衰减迅速，氧化还原反应动力学缓慢的问题，有效改善了红磷负极的电化学性能。
28、第四方面，本申请提供一种钠离子电池的制备方法，采用如下的技术方案：
29、钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：
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1.一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述尿素和对苯二异氰酸酯的质量比为8-12:1。
3.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述炭化处理时的温度为400-500℃，时间为25-35min。
4. 根据权利要求 1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米片和聚四氟乙烯的质量比为5-15:1。
5.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米片与红磷的质量比为0.5-1.5：1。
6.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述蒸发-冷凝的方式具体为：将碳纳米片与红磷一同封装于真空石英管中，加热至800-900℃，并保温5-10h，随后降温至250-300℃，再保温10-15h，最后降至室温，即可得到氟掺杂纳米片负载红磷负极材料。
7.一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极
8.钠离子电池，其特征在于：包括权利要求7所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料。
9.权利要求8所述的钠离子电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述尿素和对苯二异氰酸酯的质量比为8-12:1。
3.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述炭化处理时的温度为400-500℃，时间为25-35min。
4. 根据权利要求 1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米片和聚四氟乙烯的质量比为5-15:1。
5.根据权利要求1所述的氟掺杂碳纳米片负载红磷负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米片与红磷的质量比为0.5-1....
【专利技术属性】
技术研发人员：张微中，王东蛟，柳扬，
申请(专利权)人：大秦数字能源技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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