一种碱金属离子电池负极及其制备方法

本发明属于新能源储能，具体涉及一种碱金属离子电池负极及其制备方法。

背景技术：

1、化石燃料的资源枯竭以及环保问题导致全球在发展可持续能源供应方面的需求持续增加。但是以太阳能、氢能、风能等为代表的新型可再生能源存在诸

2、多问题，如：时效性、间歇性、地域性等客观条件限制。因此，开发高效的可再生能源的电网存储提高能源效率具有重大意义。

3、锂离子电池作为高能量密度电化学储能系统的典型代表，不仅在各种3c便携式电子产品中取得了商业化成功，而且正广泛应用于混合动力电动汽车等大型新能源设备中。与此同时，我国科技与经济水平的快速提升也为新能源储能领域的发展创造了广阔的空间。然而，受限于地壳中锂矿资源的含量低及分布不均匀等缺点，锂离子电池的成本正不断攀升。因此，基于其他碱金属元素（钠和钾）的可替代二次电池（钠离子电池和钾离子电池）因其多重优势而受到研究人员的青睐。首先钠和钾元素具有高的自然丰度且成本较低；其次钾（-2.93 v）和钠（-2.71 v）较低的还原电势表明钠离子电池和钾离子电池可以实现更高的工作电压和能量密度。

4、在碱金属离子电池已有的研究基础上，开发具有高倍率性能、长循环寿命的电极材料可以有效的缓解社会发展对于储能系统的要求。碳材料因其价格低廉、环境友好等优点被广泛用作碱金属离子电池的负极材料，但目前被广泛运用在碱金属离子电池的负极材料，其理论容量不足以支持现代储能设备的要求，其较低的理论容量和较慢的功率密度也减缓了其在新兴能源市场的发展和应用。因此，对碳负极材料进行相应的改性研究提高以提高理论容量和功率密度，实现清洁能源的高效应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提出一种碱金属离子电池负极及其制备方法，选用常用的生物质衍生氮掺杂碳作为原材料，该材料具有容量高、化学电势低、循环稳定性好、成本低、来源广泛、制备简便和安全无毒等优点。

2、为达到以上目的，本发明采取如下技术方案：

3、一种碱金属离子电池负极，所述负极为复合材料与导电材料、粘结剂混合后，与水或n-甲基吡咯烷酮研磨混合成均匀的浆料，涂覆在金属箔上得到，所述复合材料由生物质衍生氮掺杂碳作原材料形成，具有丰富的褶皱结构，以及由氮掺杂引起的缺陷。

4、一种碱金属离子电池负极的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1：将生物质衍生氮掺杂碳材料在保护性气体环境下经碳化后，冷却，得到复合材料；

6、步骤2：将步骤1制得的复合材料与导电材料、粘结剂混合后，与水或n-甲基吡咯烷酮研磨混合成均匀的浆料，涂覆在金属箔上，干燥，得到碱金属离子电池负极。

7、以上所述步骤中，所述生物质衍生氮掺杂碳材料为鸟嘌呤、腺嘌呤、甘脲、尿素、壳多糖中一种或多种任意比例的混合物；

8、步骤1中碳化升温速率为2～10 ℃/min，升温至500～700℃，保留1～5 h，再以2～10 ℃/min的速度升温至800～1300℃保温1～5 h，然后以5～10℃/min降温；所述保护气为氮气、氦气、氖气、氩气中的一种或多种；

9、步骤2中所述复合材料与导电材料和粘合剂的质量比为6～8：1～3：0.5～1，优选的可为：6：3：1、7：2：1或8：1：1：所述导电材料为乙炔黑、super p或科琴黑；所述粘结剂为羧甲基纤维素钠或pvdf；

10、步骤2中干燥条件为：真空条件下，50～80℃干燥12～48 h。

11、有益效果：本发明提供了一种碱金属离子电池负极及其制备方法，与现有技术相比，具有以下效果：

12、（1）本发明选用生物质衍生氮掺杂碳材料作为前驱体，来源广，低成本，无毒无害，制作简单；

13、（2）本发明提供的制备方法利用氮元素的引入产生缺陷结构，高温促进碳材料石墨化合成纳米碳材料，导致的储钾位点增多，而且该制备方法具有反应条件易达等优点；

14、（3）本发明制备的碳基负极材料用作碱金属离子电池负极材料时具有较高的容量，良好的倍率性能和循环稳定性。

技术特征：

1.一种碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，所述生物质衍生氮掺杂碳材料为鸟嘌呤、腺嘌呤、甘脲、尿素、壳多糖中一种或多种任意比例的混合物。

3.根据权利要求1所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤1中碳化程序为：升温速率为2～10 ℃/min，升温至500～700℃，保留1～5 h，再以2～10 ℃/min的速度升温至800～1300℃保温，然后以5～10℃/min降温。

4.根据权利要求1所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，所述保护气为氮气、氦气、氖气、氩气中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤2中所述复合材料与导电材料和粘合剂的质量比为6～8：1～3：0.5～1。

6.根据权利要求5所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤2中所述复合材料与导电材料和粘合剂的质量比为：6：3：1、7：2：1或8：1：1。

7.根据权利要求5或6所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，所述导电材料为乙炔黑、super p或科琴黑；所述粘结剂为羧甲基纤维素钠或pvdf。

8.根据权利要求1所述的碱金属离子电池负极的制备方法，其特征在于，步骤2中干燥条件为：真空条件下50～80℃干燥12～48 h。

9.权利要求1-8任一项所述方法制备的碱金属离子电池负极，其特征在于，所述负极为复合材料与导电材料、粘结剂混合后，与水或n-甲基吡咯烷酮研磨混合成均匀的浆料，涂覆在金属箔上得到，所述复合材料由生物质衍生氮掺杂碳作原材料形成。

10.根据权利要求9所述的碱金属离子电池负极，其特征在于，所述复合材料具有丰富的褶皱结构，以及由氮掺杂引起的缺陷。

技术总结
本发明公开了一种碱金属离子电池负极及其制备方法，属于新能源储能技术领域，电池负极材料以生物质衍生氮掺杂碳为前驱体热解制得，该材料改善了储碱金属离子的性能，并通过对前驱体进行优化筛选，控制热解条件调控其微观结构，增加了活性位点，从而进一步提高氮掺杂碳在碱金属离子电池中的比容量、倍率性能和循环寿命；对于推动碱金属离子电池的产业化具有重要意义。

技术研发人员：来庆学,庞银霜,沈乃潞,陈宁宁,陈红,梁彦瑜
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12