熔鹽法製備硫摻雜硬碳納米片及其在鈉離子電池中的應用的製作方法

2023-12-03 07:57:21 1

本發明屬於鈉離子電池負極材料領域，具體涉及熔鹽法製備硫摻雜硬碳納米片及其在鈉離子電池中的應用。

背景技術：

鋰離子電池具有能量密度大、電壓高和循環壽命長等顯著優點而得到廣泛應用。但是隨著鋰離子電池的大量製造應用，鋰（碳酸鋰）的價格不斷上升，且鋰的資源在地球中的儲量本身就比較少。鈉元素在地球上的儲量比鋰要豐富得多，金屬鈉來源廣泛且廉價，因而鈉離子電池近年來得到廣泛的關注。當前，鈉離子電池因缺乏合適的負極材料而制約其應用，開發性能優異的鈉離子電池負極材料是當然該領域的研究重點和難點。目前，硬碳材料被認為是最有前景的鈉離子電池負極材料，但目前其倍率性能較差。

目前沒有熔鹽法製備硫摻雜硬碳納米片及其在鈉離子電池中的應用相關專利報導。

技術實現要素：

本發明提供了通過一步熔鹽法製備硫摻雜硬碳納米片，並將其作為鈉離子電池負極材料，表現出非常優異的倍率性能。本發明用高溫混合熔鹽固相法，合成出硫摻雜碳納米片，其XRD結構分析如圖1所示，從圖中可推算所合成材料的層間距約為0.39 nm，明顯比普通硬碳材料的層間距（0.36 nm）要大得多。經掃描電鏡觀察，這種碳納米片厚度約為25-50 nm，片的大小約為400-600 nm。用此碳納米片作為鈉離子電池負極材料，結果表明其具有非常優異的倍率充放電性能。在0.1A/g時，其可逆充電容量約為250 mAh·g-1；在1A/g時，可逆容量為197 mAh·g-1；大倍率2 A/g下，還能夠保持在185 mAh·g-1 。

硫摻雜硬碳納米片的製備：將0.1-0.2 g的葡萄糖與0.1-0.2g的硫粉和2-4g的熔鹽（重量比LiCl/KCl=40-50/50-60）研磨充分，然後將混合均勻的反應物放到剛玉舟內，置於管式爐內。在氬氣的氛圍內，先300-400℃煅燒1-3 h，再550-750℃煅燒4-6 h，待冷卻到室溫取出樣品，洗滌並收集。

鈉離子電池組裝：按質量比硫摻雜硬碳納米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝65-75：10-20：10-20混合研磨後均勻地塗在1.2 cm2的銅片上做正極，負極為金屬鈉，電解質是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。電池組裝在氬氣保護下手套箱裡進行（氧氣和水分含量均低於1ppm）。

本發明的顯著優點在於：本發明首次提供了硫摻雜硬碳納米片鈉離子電池負極材料的製備方法，所製備的碳材料跟普通的材料相比具有較大的層間距，利於鈉離子的嵌入和擴散，且其製備過程操作簡便、成本低、純度高、性能優異，可以大量合成。用此碳納米片作為鈉離子電池負極材料，結果表明其具有非常優異的倍率充放電性能。在0.1A/g時，其可逆充電容量約為250 mAh·g-1；在1A/g時，可逆容量為197 mAh·g-1；大倍率2 A/g下，還能夠保持在185 mAh·g-1 。此產品還能推廣至其他能源和催化等領域的應用。

附圖說明

圖1為實施例1硫摻雜硬碳納米片的XRD圖；

圖2為實施例1硫摻雜硬碳納米片的掃描電鏡圖；

圖3為實施例1硫摻雜硬碳納米片鈉離子電池的倍率性能圖。

具體實施方式

本發明用下列實施例來進一步說明本發明，但本發明的保護範圍並不限於下列實施例。

實施例1

硫摻雜硬碳納米片的製備：將0.15g的葡萄糖與0.15g的硫粉和3g的熔鹽（重量比LiCl/KCl=45/55）研磨充分，然後將混合均勻的反應物放到剛玉舟內，置於管式爐內。在氬氣的氛圍內，先350℃煅燒2 h，再650℃煅燒5h，待冷卻到室溫取出樣品，洗滌並收集。

鈉離子電池組裝：按質量比硫摻雜硬碳納米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝70：15：15混合研磨後均勻地塗在1.2 cm2的銅片上做正極，負極為金屬鈉，電解質是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。電池組裝在氬氣保護下手套箱裡進行（氧氣和水分含量均低於1ppm）。

其XRD結構分析如圖1所示，從圖中可推算所合成材料的層間距約為0.39 nm，明顯比普通硬碳材料的層間距（0.36 nm）要大得多。由圖2掃描電鏡觀察可知，這種碳納米片厚度約為25-50 nm，片的大小約為400-600 nm。用此碳納米片作為鈉離子電池負極材料，結果表明其具有非常優異的倍率充放電性能。由圖3可知，在0.1A/g時，其可逆充電容量約為250 mAh·g-1；在1A/g時，可逆容量為197 mAh·g-1；大倍率2 A/g下，還能夠保持在185 mAh·g-1。

實施例2

硫摻雜硬碳納米片的製備：將0.1 g的葡萄糖與0.1g的硫粉和2g的熔鹽（重量比LiCl/KCl=40/50）研磨充分，然後將混合均勻的反應物放到剛玉舟內，置於管式爐內。在氬氣的氛圍內，先300℃煅燒1 h，再550℃煅燒4 h，待冷卻到室溫取出樣品，洗滌並收集。

鈉離子電池組裝：按質量比硫摻雜硬碳納米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝65：10：10混合研磨後均勻地塗在1.2 cm2的銅片上做正極，負極為金屬鈉，電解質是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。電池組裝在氬氣保護下手套箱裡進行（氧氣和水分含量均低於1ppm）。

實施例3

硫摻雜硬碳納米片的製備：將0.2 g的葡萄糖與0.2g的硫粉和4g的熔鹽（重量比LiCl/KCl=50/60）研磨充分，然後將混合均勻的反應物放到剛玉舟內，置於管式爐內。在氬氣的氛圍內，先400℃煅燒3 h，再750℃煅燒6 h，待冷卻到室溫取出樣品，洗滌並收集。

鈉離子電池組裝：按質量比硫摻雜硬碳納米片：聚偏氟乙烯：乙炔黑＝75： 20：20混合研磨後均勻地塗在1.2 cm2的銅片上做正極，負極為金屬鈉，電解質是1M NaClO4的EC+DEC (EC/ DEC=1/1 v/v) 溶液。電池組裝在氬氣保護下手套箱裡進行（氧氣和水分含量均低於1ppm）。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。