一种聚合物基硬碳负极材料、制备方法及应用与流程

本发明属于钠离子电池，具体涉及一种聚合物基硬碳负极材料、制备方法及应用。

背景技术：

1、近年来，锂离子电池在社会中被广泛使用，而作为同族元素的钠离子由于其丰富的资源和与锂离子相似的理化性质，引起研究者们的广泛关注。然而，作为锂离子电池常用的负极材料石墨材料是基于热力学原因，难以与钠离子形成稳定的插层化合物，因此钠离子电池难以将石墨作为负极材料。

2、研究者发现硬碳材料由于其放电平台低、充放电容量较高以及优异的循环稳定性，可成为最有应用前景的钠离子电池负极材料。尽管硬碳负极材料具有许多应用潜力，但其较低的首次库伦效率和低压平台(＜0.1v)容量低等问题限制了其商业化应用。

3、在钠离子电池中，硬碳的充放电曲线通常表现为高电位斜坡区(＞0.1v)和低电位高原区(＜0.1v)。尽管钠的储存机制尚不清楚，但有大量研究表明，在低压高原上，封闭的孔隙是钠储存的主要原因。迄今为止，已经有许多研究致力于增加封闭纳米孔的数量和大小，以最大限度地提高所得硬碳平台容量。比如，cn118387859a-一种高闭孔容量硬碳负极材料的制备方法及钠离子电池，其方法是将包含多价金属离子的第一碳源与第二碳源反应，得到气凝胶前驱体，随后气凝胶前驱体经过热解以及蒸汽爆破，得到包含有多价金属氧化物的多孔热解碳材料，再将多孔热解碳材料经过酸洗以及热处理后，最终获得所述高闭孔容量硬碳负极材料。然而，上述方案比较复杂，目前仍缺乏简单有效的闭孔构建策略，这严重阻碍了高平台容量硬碳负极材料的发展，因此，如何开发一种成本低廉、工艺步骤简单和高平台容量硬碳负极材料是本发明要解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种聚合物基硬碳负极材料、制备方法及应用，通过丰富的闭孔设计，能够显著提高钠离子电池的充放电容量，制得聚合物基硬碳负极材料具有潜力能够在能源储存领域以及钠离子电池等储能系统中得到广泛应用。

2、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、在本发明的第一方面，本发明提出一种聚合物基硬碳负极材料的制备方法，如下：

4、(1)配制水相溶液和油相溶液，其中，水相溶液包括水以及溶于水的聚乙烯吡咯烷酮和阳离子表面活性剂，油相溶液包括有机溶剂以及溶于有机溶剂中的成孔剂、自由基引发剂和二乙烯基苯单体；

5、(2)在超声的条件下，将水相溶液与油相溶液混合，形成乳液；

6、(3)将乳液转移至氮气气氛中，将乳液加热至55～95℃，持续搅拌4～12h，反应结束后冷却至室温，固液分离收集固体产物，通过乙醇和去离子水洗涤固体产物后干燥；

7、(4)在氮气气氛中对固体产物加热，以1～10℃/min使固体产物升温至500～1700℃，随后使固体产物恒温碳化1～8h，得到聚合物基硬碳负极材料。

8、优选的，水相溶液中，水、聚乙烯吡咯烷酮和阳离子表面活性剂的质量比为(25～75):(0.05～0.1):(0.02～0.04)。

9、优选的，油相溶液中，成孔剂、自由基引发剂和二乙烯基苯单体的质量比为(30～50):(0.2～0.5):(5～15)。

10、优选的，在步骤(2)中，在超声的条件下，将水相溶液滴加入油相溶液中，形成乳液。

11、优选的，在步骤(1)中，阳离子表面活性剂包括十二烷基硫酸铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基氯化铵、苯扎溴铵和聚乙烯亚胺的一种或多种。

12、优选的，在步骤(1)中，成孔剂包括聚乙烯醇、甲苯正庚烷混合溶液、偶氮二甲酰胺、氯化铵、聚氯乙烯的一种或多种。

13、更优选的，成孔剂是甲苯、正庚烷按体积比为2:1混合形成的甲苯正庚烷混合溶液。

14、优选的，在步骤(1)中，自由基引发剂包括过氧化环己酮、偶氮二异丁腈、过硫酸铵、过氧化二苯甲酰和偶氮二异庚腈的一种或多种。

15、在本发明的第二方面，本发明提出一种聚合物基硬碳负极材料，由上述制备方法制得。

16、在本发明的第三方面，本发明提出一种聚合物基硬碳负极材料的应用，将上述制得的聚合物基硬碳负极材料应用于钠离子电池中，制备钠离子电池的负极。

17、有益效果：

18、本发明通过丰富的闭孔设计，能够显著提高钠离子电池的充放电容量，并且在未经任何包覆、造粒处理的情况下，获得较高的首次库仑效率，本发明制得聚合物基硬碳负极材料具有潜力能够在能源储存领域以及钠离子电池等储能系统中得到广泛应用。

技术特征：

1.一种聚合物基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，水相溶液中，水、聚乙烯吡咯烷酮和阳离子表面活性剂的质量比为(25～75):(0.05～0.1):(0.02～0.04)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，油相溶液中，成孔剂、自由基引发剂和二乙烯基苯单体的质量比为(30～50):(0.2～0.5):(5～15)。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，在超声的条件下，将水相溶液滴加入油相溶液中，形成乳液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，阳离子表面活性剂包括十二烷基硫酸铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基氯化铵、苯扎溴铵和聚乙烯亚胺的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，成孔剂包括聚乙烯醇、甲苯正庚烷混合溶液、偶氮二甲酰胺、氯化铵、聚氯乙烯的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，成孔剂是甲苯、正庚烷按体积比为2:1混合形成的甲苯正庚烷混合溶液。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，自由基引发剂包括过氧化环己酮、偶氮二异丁腈、过硫酸铵、过氧化二苯甲酰和偶氮二异庚腈的一种或多种。

9.一种聚合物基硬碳负极材料，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的聚合物基硬碳负极材料的制备方法制得。

10.一种聚合物基硬碳负极材料的应用，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的聚合物基硬碳负极材料应用于钠离子电池中。

技术总结
本发明公开了一种聚合物基硬碳负极材料、制备方法及应用，制备方法包括：(1)配制水相溶液和油相溶液，水相溶液包括水、聚乙烯吡咯烷酮和阳离子表面活性剂，油相溶液包括成孔剂、自由基引发剂和二乙烯基苯单体；(2)在超声的条件下，将水相溶液与油相溶液混合均匀，形成乳液，(3)将乳液转移至氮气气氛中，将乳液加热，反应结束后冷却至室温，固液分离收集固体产物，洗涤后干燥；(4)在氮气气氛中对固体产物加热，恒温碳化，得到聚合物基硬碳负极材料。本发明通过丰富的闭孔设计，能够显著提高钠离子电池的充放电容量，制得聚合物基硬碳负极材料具有潜力能够在能源储存领域以及钠离子电池等储能系统中得到广泛应用。

技术研发人员：刘畅,李晓,杨云磊,杨光,郑勇,楼凯
受保护的技术使用者：中煤（深圳）研究院有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/31