一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法及超長循環壽命的鈉離子電池

本發明屬于鈉離子電池負極材料性能優化，具體涉及一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法及超長循環壽命的鈉離子電池。

背景技術：

1、在眾多的鈉離子電池(sibs)負極材料中，硬碳被認為是目前最成熟且最有可能商業化的負極材料。然而，硬碳仍然存在著結構不可控、首次庫倫效率(ice)低、倍率性能弱和長循環穩定性不足等缺點。尤其是，在成本相對更低的商業化酯類電解質當中，缺陷豐富的硬碳表面上更傾向于形成不均勻、厚實、機械強度差且容易斷裂的固體電解質(sei)層，從而導致其在酯類電解質中性能遠遠弱于醚類，這些都在一定程度上制約了其商業化進程。硬碳是由石墨烯層隨機構建而成的無定型材料，沒有固定的結構。理想的硬碳由完全無序且少層石墨烯構建而成，當前制備的硬碳(包括商業化硬碳)內部難以避免會存在一些層數較多、相對有序的石墨烯層，這不利于鈉離子的儲存和傳輸，會增強鈉離子擴散勢壘。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法及超長循環壽命的鈉離子電池。所述方法是一種利用多場燒結對硬碳進行焦耳加熱后處理重建硬碳結構，從而提升其循環性能的方法。

2、為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

3、一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法，包括以下步驟：

4、將商業硬碳烘干后放入石墨模具中，以100～120℃min-1的升溫速率升溫至目標溫度(400～800℃)后保溫1～10min，在此過程中，保持真空度為0.05～0.001pa，施加電壓為3～4v，電流為～500a，壓力為10～50mpa，待儀器冷卻至室溫后，取出模具收集粉末，過篩后保存，即得到經過后處理的具有卓越循環性能的鈉離子電池硬碳負極。

5、以上方法在各種硬碳中具有通用性。

6、經過上述，重構了硬碳的結構，將硬碳內部有序的石墨烯層進一步無序化，從而極大提升硬碳的儲鈉性能，可以用于制備超長循環壽命的鈉離子電池。

7、鈉離子電池組裝：將處理后的硬炭、cmc、sp按照質量比為80-85:5-10:10-15混合研磨后均勻地涂在1.2cm2的銅箔上做為工作電極，以金屬鈉為對電極，電解液分別為1mnapf6溶解于diglyme的溶液和1m?napf6溶解于ec:dmc:emc＝1:1:1(體積比)的溶液。電池組裝在氬氣保護下手套箱里進行(氧氣和水分含量均低于1ppm)。

8、本發明提出了一種通過對硬碳進行包含真空、焦耳加熱和壓力的多場作用快速后處理方法，重建了硬碳的結構，使其從厚且相對有序的石墨烯層轉變為薄且局部彎曲的更無序的石墨狀疇組成的渦層結構。分子動力學模擬和差分電荷密度分布表明，電場作用能夠有效加強酮、羰基與石墨烯層的相互作用，導致石墨烯層的扭曲和膨脹，從而提升了硬碳材料的無序度和層間距。這是一種在幾分鐘內對各種硬碳進行改性的通用而高效的策略。優化后的硬碳負極具有優異的電化學性能和良好的電解液兼容性，具體表現為，在醚基電解質中，10c高電流密度下，原始硬碳僅工作了280圈，而重構后的硬碳可實現30000圈的超長循環，且其容量保持率高達86.9％；而在酯基電解質中，不同硬碳循環相同圈數后的容量保持率可顯著提高34～40％，可逆容量和ice均有不同程度的提升。

技術特征：

1.一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.?根據權利要求1所述的一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法，其特征在于，升溫速率為100?~?120?℃?min-1。

3.一種根據權利要求1或2所述的方法得到的硬碳。

4.如權利要求3所述的硬碳在鈉離子電池中的應用。

5.?根據權利要求4所述的應用，其特征在于，鈉離子電池組裝方法為：將硬炭、cmc、?sp按照質量比為80-85?:?5-10?:?10-15混合研磨后均勻地涂在1.2?cm2的銅箔上作為工作電極?，以金屬鈉為對電極，電解液分別為1?m?napf6溶解于diglyme的溶液和1?m?napf6溶解于ec:dmc:emc=1:1:1?的溶液，電池組裝在氬氣保護下手套箱里進行，氧氣和水分含量均低于1?ppm。

技術總結
本發明公開了一種重構硬碳結構與提升其無序度的方法及超長循環壽命的鈉離子電池。將商業硬碳烘干后放入石墨模具中，升溫至400~800℃后保溫1~10?min，在此過程中，保持真空度為0.05~0.001?Pa，施加電壓3~4?V，電流為~500?A，壓力為10~50?MPa，待儀器冷卻至室溫后，取出模具收集粉末，過篩后保存，即得到經過后處理的硬碳。本發明通過對硬碳進行包含真空、焦耳加熱和壓力的多場作用快速后處理方法，重建了硬碳的結構，使其從厚且相對有序的石墨烯層轉變為薄且局部彎曲的更無序的石墨狀疇組成的渦層結構。本發明方法提升了硬碳材料的無序度和層間距，從而獲得具有卓越循環性能的鈉離子電池硬碳負極。

技術研發人員：洪振生,宋紫晴,劉昊天,張娜
受保護的技術使用者：福建師范大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21