【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于碳材料，涉及一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法和應用。
技術介紹
1、鋰離子電池因為具有高能量密度，長使用壽命以及環境友好等優點而受到廣泛關注，但是隨著電動汽車以及儲能電站的大規模應用，對鋰資源的需求量也大大增加。鋰資源短缺和分布不均的問題也開始顯現出來，成了制約鋰離子電池發展的一個瓶頸問題。相比之下，作為電荷載體儲能的鈉離子電池中的鈉與鋰同主族，同時具有成本優勢和資源優勢，使其成為鋰離子電池的最佳替代品。在眾多可供鈉離子電池選擇的負極材料中，碳負極具有較低的電位、較高的容量、穩定的物化性質以及低廉的成本，成為鈉離子電池商業化發展的首選負極材料。但是，目前商業化的石墨負極材料在鈉離子電池中無法應用，其儲鈉容量太低，能量密度與現有商業化鋰離子電池相差甚遠，因此需要開發新型碳負極材料。
2、在各種碳材料中，無定形碳材料顯示出了更好地性能。無定形碳材料又包含軟碳和硬碳，硬碳作為鈉離子電池負極，具有較高的容量，同時硬碳材料具有較大的層間距和多孔結構可以緩解反應過程中的體積膨脹，有利于鈉離子電池的商業化。但是硬碳材料作為鈉離子電池負極也存在一些問題，比如電池容量低、穩定性差，這些因素嚴重阻礙著硬碳基負極材料的產業化應用。
3、因此，研究開發一種孔隙結構豐富，儲鈉性能優異，電池比容量高，電池穩定性好的鈉離子電池用硬碳材料具有重要價值。
技術實現思路
1、本專利技術提出一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，制備工藝簡便，易于操作，具有良好的應用價值
2、本專利技術的技術方案是這樣實現的：
3、本專利技術第一方面提供了一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，包括如下步驟：
4、將質量比為15-25：2-10：0.5-2：10-20?的天冬氨酸鈉、多聚磷酸鈉、植酸鋅和順丁烯二酸酐球磨混料，然后在空氣中250-350℃?保溫1-3h，然后轉移到保護氣體氛圍爐中1100-1300℃?進行炭化，保溫1-5h，得到磷摻雜硬碳材料。
5、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述天冬氨酸鈉、多聚磷酸鈉、植酸鋅和順丁烯二酸酐的質量比為18-22：3-6：0.5-1.5：13-18?。
6、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述天冬氨酸鈉、多聚磷酸鈉、植酸鋅和順丁烯二酸酐的質量比為20：5：1：15?。
7、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述多聚磷酸鈉選自三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和十二偏磷酸鈉中的一種或幾種的混合物?。
8、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述多聚磷酸鈉為六偏磷酸鈉。
9、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述保護氣體選自氮氣、氦氣或氬氣。
10、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述球磨的轉速為350-550轉/分鐘，球磨時間為1.5-2.5h?。
11、作為本專利技術的一些優選實施方案，球磨混料后，以2-5℃/min速率升溫到250-350℃后保持1-3h?。
12、作為本專利技術的一些優選實施方案，所述炭化過程具體包括：以6-10ml/min的速率不斷通入保護氣，以2-5℃/min速率升溫到1100-1300℃后保持1-5h，自然降溫至室溫?。
13、本專利技術第二方面提供了一種通過上述方法獲得的硬碳材料。
14、本專利技術第三方面提供了所述的硬碳材料的制備方法制備的硬碳材料的應用，用于鈉離子電池負極材料。
15、本專利技術的工作原理及有益效果為：
16、1、本專利技術中天冬氨酸鈉，多聚磷酸鈉，植酸鋅和順丁烯二酸酐這四者是一種相互作用的機制來形成具有高容量的電池負極材料，四者之間相互作用如下：
17、（1）天冬氨酸鈉與順丁烯二酸酐高溫下聚合，形成大分子聚合物，提高碳殘留量，同時采用的天冬氨酸鈉在制備材料過程中在硬碳孔隙結構中殘留下鈉，能夠提供電池的初始容量，提高電池容量；
18、（2）空氣氛圍處理材料是由于250-350℃下空氣中的氧分子可以誘導天冬氨酸鈉和順丁烯二酸酐的聚合，增加聚合度；另外高溫空氣氛圍下可以刻蝕材料，形成缺陷結構，利于鈉離子的存儲；
19、（3）多聚磷酸鈉作用一是能夠摻雜磷，提高磷摻雜量，同時其耐高溫，能夠降低高溫下磷的損失，從而提高負極材料的電池容量和穩定性；二是能夠原位摻雜鈉，使得鈉能夠封存在封閉的孔隙結構中，提高鈉電容量；三是多聚磷酸鈉的高溫下能夠起到褶皺作用，形成更多缺陷位點提高電池儲鈉容量。
20、（4）植酸鋅中鋅能夠與含氮的天冬氨酸鈉及含氧的順丁烯二酸酐螯合，起到交聯劑的作用，同時植酸基團高溫下聚合形成含磷的大分子提高分解溫度利于磷的原位摻雜，另外植酸鋅中的鋅離子在聚合物聚合過程中被包覆在里面，高溫下揮發出去形成孔隙，具有造孔作用，形成的孔再經高溫炭化閉合，閉合的孔把鈉離子留在孔中這樣能夠提高電池容量。
21、2、本專利技術所提供的磷摻雜的多孔硬碳經實驗驗證，具有更高的磷摻雜量、高的電池容量和穩定性。
22、3、本專利技術所提供的磷摻雜硬碳的制備方法，原料來源廣泛，價格低廉，制備工藝簡便，易于操作，具有良好的應用價值。
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1.一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述天冬氨酸鈉、多聚磷酸鈉、植酸鋅和順丁烯二酸酐的質量比為18-22：3-6：0.5-1.5：13-18。
3.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述多聚磷酸鈉選自三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和十二偏磷酸鈉中的一種或幾種的混合物。
4.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述多聚磷酸鈉為六偏磷酸鈉。
5.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述保護氣體選自氮氣、氦氣或氬氣。
6.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述球磨的轉速為350-550轉/分鐘，球磨時間為1.5-2.5h。
7.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，球磨混料后，以2-5℃/min速率升溫到250-350℃
8.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述炭化過程具體包括：以6-10mL/min的速率不斷通入保護氣，以2-5℃/min速率升溫到1100-1300℃后保持1-5h，自然降溫至室溫。
9.一種如權利要求1-8任一項所述的方法獲得的硬碳材料。
10.一種根據權利要求1-8任一項所述的硬碳材料的制備方法制備的硬碳材料的應用，其特征在于，用于鈉離子電池負極材料。
...【技術特征摘要】
1.一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述天冬氨酸鈉、多聚磷酸鈉、植酸鋅和順丁烯二酸酐的質量比為18-22：3-6：0.5-1.5：13-18。
3.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述多聚磷酸鈉選自三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和十二偏磷酸鈉中的一種或幾種的混合物。
4.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述多聚磷酸鈉為六偏磷酸鈉。
5.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池用磷摻雜硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述保護氣體選自氮氣、氦氣或氬氣。
6.根據權利要求1所述的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：許躍龍，王莎莎，魏愛佳，任斌，翟作昭，張利輝，
申請(專利權)人：河北省科學院能源研究所，
類型：發明
國別省市：
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