CN106784736A - 一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳材料制备技术领域，一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法及应用。制备方法包括以下过程：将氯化钠饱和水溶液逐滴加入无水乙醇中，抽滤后干燥滤饼制得氯化钠模板，将煤沥青树脂、二氯化锡、造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯及氯化钠模板按一定比例加入到氮甲基吡咯烷酮中，搅拌加热蒸干溶剂，再将得到的混合物进行碳化处理，冷却至室温取出，采用去离子水洗涤氯化钠模板并进行干燥，得到目标材料并具体应用于钠离子电池中。本发明具有以下优点：一是，使用的碳源和造孔剂来源广泛、价格低廉；二是，氯化钠模板和氮甲基吡咯烷酮溶剂可以循环使用，生产成本低；三是，制备的目标材料作为钠离子电池负极材料表现出较高的可逆储钠容量，较好的倍率性能和优异的循环性能。

Description

一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳 米片的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法及应用，属于碳材料制备技术领域。
背景技术
随着人类对煤、石油等能源的开采及利用，其储量日益枯竭并导致了越来越严重的环境污染问题，清洁能源的开发，是关系到人类社会可持续发展的关键问题。因此，风能、太阳能、潮汐能等绿色新能源的利用受到了越来越广泛的关注。清洁能源大都具有间歇性、随机性等特点，需要庞大的储能***保证能量持续、稳定的输出。锂离子电池是目前应用最广泛的电化学储能装置之一，具有能量密度高、循环寿命长等优点。然而锂资源在地壳中含量有限且分布不均，锂离子电池对锂资源的巨大需求导致锂矿石价格居高不下，不利于其在低成本大规模储能***中的运用。钠与锂具有相近的物理化学性质，且储量十分丰富，有利于低成本钠离子电池的开发。研究钠离子电池用于未来低成本大规模储能***合理可行。
钠离子电池使用的负极材料主要有无定形碳、过度金属硫化物、锡、锑等。其中无定形碳具有结构易于调控、成本低、循环稳定性好等优点，但其储钠容量有限。锡等金属具有较高的比容量，但是循环稳定性较差。因此将无定形碳与锡等金属复合，有望获得比容量高、循环稳定性好的钠离子电池负极材料。Datta等[Datta M K,Epur R,Saha P,et al.Tinand graphite based nanocomposites:Potential anode for sodium ion batteries[J].Journal of Power Sources,2013,225:316-322.]通过高能机械球磨法将锡和石墨的微米颗粒进行了复合，大幅度提高了负极材料的比容量。但是由于锡颗粒较大等原因，材料的循环稳定性能并不理想。将锡颗粒纳米化并采用碳包覆结构，是解决碳/锡复合材料在钠离子电池中稳定性的可行途径。
碳/锡复合材料的微观形貌和结构会影响材料与电解液接触面积、钠离子扩散路径等，最终影响材料电化学性能。具有适宜孔道结构的纳米片具有与电解液接触面积大，钠离子传输路径短等优点，受到研究者广泛关注。传统碳纳米片以金属氧化物等为模板，碳化后需要酸洗去除模板，制备工艺复杂且易污染环境，不利于规模化生产。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法及应用。该制备方法制备过程简单，原料来源丰富，所制备的复合材料用作钠离子电池负极具有比容量高，倍率性能好和循环性能优异等优点。
为了实现上述发明目的，解决己有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、室温下，将氯化钠饱和水溶液逐滴加入无水乙醇中，抽滤后干燥滤饼制得氯化钠模板，所述氯化钠饱和水溶液与无水乙醇质量比为1:3-20，滤饼干燥温度控制在70-100℃，干燥时间控制在1-5h；
步骤2、将煤沥青树脂溶解于氮甲基吡咯烷酮中，加入二氯化锡和造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯，完全溶解后向其中加入由步骤1制得的氯化钠模板，搅拌下蒸干溶剂，所述溶剂蒸馏温度控制在150-210℃，煤沥青树脂与氮甲基吡咯烷酮的质量比为1:10-50，煤沥青树脂与造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为1:0.1-2，煤沥青树脂与二氯化锡的质量比为1:0.5-5，煤沥青树脂与氯化钠模板的质量比为1:1-20；
步骤3、将步骤2得到的混合物在惰性气体保护下进行碳化处理，温度以2-10℃/min升温速率升至600-900℃，恒温1-3h，所述惰性气体选自氮气或氩气中的一种；
步骤4、将步骤3得到的碳化处理后样品冷却至室温取出，采用去离子水洗涤氯化钠模板并进行干燥，温度控制在80-120℃，时间控制在4-12h，得到目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。
所述制备方法，制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片在钠离子电池方面中的应用。
本发明有益效果是：一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法及应用。其中，制备方法包括以下步骤：(1)室温下，将氯化钠饱和水溶液逐滴加入无水乙醇中，抽滤后干燥滤饼制得氯化钠模板，(2)将煤沥青树脂溶于氮甲基吡咯烷酮中，并加入二氯化锡和造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯，完全溶解后向其中加入由步骤1制得的氯化钠模板，搅拌下蒸干溶剂，(3)将步骤2得到的混合物在惰性气体保护下进行碳化处理，(4)将步骤3得到的碳化处理后样品冷却至室温取出，采用去离子水洗涤氯化钠模板并进行干燥，得到目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。与已有技术相比，本发明具有以下优点：一是，使用的碳源和造孔剂来源广泛、价格低廉，锡颗粒在10纳米以下，在碳材料基体中分散度高；二是，制备方法简单易行，采用水溶性氯化钠模板，绿色环保，氯化钠模板和氮甲基吡咯烷酮溶剂可以循环使用，生产成本较低，易于实现规模化生产；三是，制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片作为钠离子电池负极材料表现出较高的可逆储钠容量，较好的倍率性能和优异的循环性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的扫描电镜照片图。
图2是本发明实施例1制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的透射电镜照片图。
图3是本发明实施例1制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的X射线衍射图谱。
图4是本发明实施例1制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片在钠离子半电池中不同电流密度下的充放电性能曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
室温下，将150g氯化钠饱和水溶液逐滴加入500g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在90℃干燥2h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于60g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入3g二氯化锡、1g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入20g氯化钠模板，205℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氩气保护下以5℃/min升温至700℃并恒温2h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在100℃干燥5h，制得目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片，其扫描电镜照片图如图1所示，透射电镜照片图如图2所示，X射线衍射图谱如图3所示。将煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1A g-1的条件下可逆容量达613.7mAh g-1，其充放电性能曲线图如图4所示。
实施例2
室温下，将250g氯化钠饱和水溶液逐滴加入1000g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在100℃干燥1h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于40g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入3g二氯化锡、2g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入20g氯化钠模板，200℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氩气保护下以5℃/min升温至800℃并恒温2h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在90℃干燥8h，制得目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。将煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1A g-1的条件下可逆容量达529.2mAh g-1。
实施例3
室温下，将130g氯化钠饱和水溶液逐滴加入600g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在80℃干燥3h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于80g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入2g二氯化锡、1g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入20g氯化钠模板，205℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氩气保护下以5℃/min升温至700℃并恒温1h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在90℃干燥8h，制得目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。将煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1A g-1的条件下可逆容量达486.5mAh g-1。
实施例4
室温下，将120g氯化钠饱和水溶液逐滴加入400g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在90℃干燥2h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于60g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入5g二氯化锡、1g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入20g氯化钠模板，190℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氩气保护下以5℃/min升温至800℃并恒温1h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在100℃干燥5h，制得目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。将煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1Ag-1的条件下可逆容量达586.9mAh g-1。
实施例5
室温下，将125g氯化钠饱和水溶液逐滴加入500g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在100℃干燥1h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于60g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入3g二氯化锡、2g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入20g氯化钠模板，205℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氮气保护下以5℃/min升温至700℃并恒温1h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在110℃干燥4h，制得目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。将煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1Ag-1的条件下可逆容量达565.1mAh g-1。
实施例6
室温下，将160g氯化钠饱和水溶液逐滴加入800g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在80℃干燥3h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于50g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入3g二氯化锡、1g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入10g氯化钠模板，200℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氮气保护下以5℃/min升温至800℃并恒温1h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在80℃干燥10h，制得目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。将煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1Ag-1的条件下可逆容量达592.3mAh g-1。
对比例1
室温下，将120g氯化钠饱和水溶液逐滴加入500g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在90℃干燥2h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于60g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入1g造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂，完全溶解后加入20g氯化钠模板，200℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氮气保护下以5℃/min升温至700℃并恒温2h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在100℃干燥5h，制得复合材料，再将复合材料与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1Ag-1的条件下可逆容量达283.5mAh g-1。
对比例2
室温下，将120g氯化钠饱和水溶液逐滴加入500g无水乙醇中，抽滤并将滤饼在90℃干燥2h制得氯化钠模板；将2g煤沥青树脂溶解于60g氮甲基吡咯烷酮中，向其中加入3g二氯化锡，完全溶解后加入20g氯化钠模板，205℃油浴中搅拌加热蒸干氮甲基吡咯烷酮；将得到的混合物碳化，管式炉中氮气保护下以5℃/min升温至700℃并恒温2h，冷却后取出，用去离子水洗涤氯化钠模板，在100℃干燥5h，制得复合材料，再将复合材料与乙炔黑、PVDF(聚偏二氟乙烯)按照7:2:1质量比制备负极材料，集流体为铜箔，在手套箱中组装钠离子电池。在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1A g-1的条件下可逆容量达439.8mAh g-1。
从对比例1(不加入二氯化锡)，对比例2(不加入造孔剂聚甲基丙烯酸甲脂)制得的复合材料与实施例1至6相比较看出，在Land CT2001A型电池测试***上测试电池电化学性能，充放电电压范围为0.01-3V，测得该材料在充放电速率0.1A g-1的条件下可逆容量明显地减小。

Claims (2)

1.一种钠离子电池负极用煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、室温下，将氯化钠饱和水溶液逐滴加入无水乙醇中，抽滤后干燥滤饼制得氯化钠模板，所述氯化钠饱和水溶液与无水乙醇质量比为1:3-20，滤饼干燥温度控制在70-100℃，干燥时间控制在1-5h；
步骤2、将煤沥青树脂溶解于氮甲基吡咯烷酮中，加入二氯化锡和造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯，完全溶解后向其中加入由步骤1制得的氯化钠模板，搅拌下蒸干溶剂，所述溶剂蒸馏温度控制在150-210℃，煤沥青树脂与氮甲基吡咯烷酮的质量比为1:10-50，煤沥青树脂与造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为1:0.1-2，煤沥青树脂与二氯化锡的质量比为1:0.5-5，煤沥青树脂与氯化钠模板的质量比为1:1-20；
步骤3、将步骤2得到的混合物在惰性气体保护下进行碳化处理，温度以2-10℃/min升温速率升至600-900℃，恒温1-3h，所述惰性气体选自氮气或氩气中的一种；
步骤4、将步骤3得到的碳化处理后样品冷却至室温取出，采用去离子水洗涤氯化钠模板并进行干燥，温度控制在80-120℃，时间控制在4-12h，得到目标材料煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片。
2.根据权利要求1所述制备方法，制备的煤沥青树脂基无定形碳包覆锡颗粒纳米片在钠离子电池方面中的应用。
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