一种介孔壳聚糖硬碳材料及其制备方法与应用

本发明属于钠离子电池电极材料，具体涉及一种介孔壳聚糖硬碳材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、钠离子电池具有资源丰富和成本低廉的优势，凸显了在大规模储能和智能电网等应用领域中巨大的天然潜力。然而其能量密度、功率密度和长循环稳定性，仍然是其实用化发展中的短板，需要进一步提升。负极材料对电池的能量密度和稳定性起着至关重要的作用。然而，目前仍旧缺少具有优良综合性能的负极材料来进一步提高钠离子电池的能量密度和功率密度。

2、硬碳材料具有较高的储钠容量(300-450mah g-1)、较低的嵌钠电位(～0.1vvs.na/na+)以及优异的循环稳定性，成为最有应用前景的钠离子电池负极材料。然而，硬碳易极化储钠平台和缓慢的离子扩散动力学通常导致较差的倍率性能，阻碍其实际应用。介孔碳由于开放的骨架结构以及可调的形貌尺寸，能够有效促进电化学过程中的物质传输，表现出了非常优异的倍率性能。然而，由于介孔碳材料较大的比表面积，以及表面较多的缺陷，往往会造成低的首周库伦效率，不利于介孔碳材料的实际应用。因此，制备新的具有高首周库伦效率、高容量和优异倍率性能和循环稳定性的介孔碳材料是具有重要意义的。

3、本发明通过软模板法制备了一种介孔壳聚糖硬碳材料，该硬碳材料为微米级片状介孔结构，具有较高的比表面积为(300-400m2/g)以及可调的介孔孔径(5-10nm)，表现出了丰富的钠存储位点，同时其交联反应能够产生以石墨氮为主的杂原子构型，因此表现出了高的首周库伦效率和优异的倍率性能，以及高的容量和循环稳定性，在储能方面具有良好的市场应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种介孔壳聚糖硬碳材料及其制备方法与应用，用于组装钠离子电池。

2、本发明提供的介孔壳聚糖硬碳材料，为微米级片状介孔结构，具有可调的比表面积、介孔孔径，以及可调的微观石墨域结构和纳米孔，具有以石墨氮为主的杂原子构型；比表面积为300-400m2 g-1，介孔孔径为5-10nm，其中掺杂的氮元素以石墨氮为主。

3、本发明提供的上述介孔壳聚糖硬碳材料的制备方法，以表面活性剂为模板剂，以壳聚糖为碳源，在酸性水溶液中配位，后加入戊二醛交联剂，干燥溶剂后将该前驱体置于惰性气氛中煅烧，得到所述的介孔壳聚糖硬碳材料。

4、所述表面活性剂和壳聚糖的摩尔比为(1-5):(1-5)；所述煅烧过程为以2℃/min的升温速率升温到800℃，恒温3h。

5、优选地，所述的表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷、聚环氧乙烷-聚苯乙烯或聚环氧乙烷-聚甲基丙烯酸甲酯二嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物中的一种或几种。

6、本发明的上述介孔壳聚糖硬碳材料可用于制备钠离子电池，具体是将介孔壳聚糖硬碳材料作为钠离子电池负极。

7、介孔碳能够有效促进电化学过程中的物质传输，表现出了非常优异的倍率性能。然而，由于介孔碳材料较大的比表面积，以及表面较多的缺陷，往往会造成低的首周库伦效率，不利于介孔碳材料的实际应用。因此，本发明通过软模板法制备了一种介孔壳聚糖硬碳材料，该硬碳材料为微米级片状介孔结构，具有较高的比表面积为(300-400m2/g)以及可调的介孔孔径(5-10nm)，表现出了丰富的钠存储位点，同时其交联反应能够产生以石墨氮为主的杂原子构型，因此表现出了高的首周库伦效率和优异的倍率性能，以及高的容量和循环稳定性。

技术特征：

1.一种介孔壳聚糖硬碳材料，其特征在于，为微米级片状介孔结构，具有可调的比表面积、介孔孔径，以及可调的微观石墨域结构和纳米孔，具有以石墨氮为主的杂原子构型；比表面积为300-400m2 g-1，介孔孔径为5-10nm，其中掺杂的氮元素以石墨氮为主。

2.一种如权利要求1所述的介孔壳聚糖硬碳材料的制备方法，其特征在于，以表面活性剂为模板剂，以壳聚糖为碳源，在酸性水溶液中配位，后加入戊二醛交联剂，干燥溶剂后将该前驱体置于惰性气氛中煅烧，得到所述的介孔壳聚糖硬碳材料；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷、聚环氧乙烷-聚苯乙烯或聚环氧乙烷-聚甲基丙烯酸甲酯二嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的介孔壳聚糖硬碳材料在制备钠离子电池中的应用，是将介孔壳聚糖硬碳材料作为钠离子电池负极。

技术总结
本发明属于钠离子电池电极材料技术领域，具体为一种介孔壳聚糖硬碳材料及其制备方法与应用。本发明介孔壳聚糖硬碳材料为微米级片状介孔结构，比表面积为300‑400m<supgt;2</supgt;/g，介孔孔径为5‑10nm；将表面活性剂和壳聚糖溶于酸性水溶液中，后加入戊二醛交联剂，干燥溶剂后煅烧得到介孔壳聚糖硬碳材料。本发明制备的介孔硬碳材料具有丰富的钠存储位点，同时其交联反应能够产生以石墨氮为主的杂原子构型，因此用于钠离子电池负极材料时，表现出高的首周库伦效率和优异的倍率性能，以及高的容量和循环稳定性，在储能方面具有良好的市场应用前景。

技术研发人员：李伟,万延华,黄碧彦,刘玉普,赵东元
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31