一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用

本发明属于钠金属二次电池，具体涉及一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用。

背景技术：

1、作为新型二次电池技术，钠金属电池具有资源丰富、成本低廉、安全性高和高低温性能优异等优点，被视为对下一代高能量锂金属电池的一种补充或替代。然而，钠金属负极在循环过程中也存在着一些问题，其中最为严重的是钠枝晶的形成。钠枝晶是指在不均匀的电场分布下，钠金属沉积时产生的不规则分支状结构。钠枝晶不仅会穿透隔膜造成内部短路和安全隐患，还会导致有效活性物质的损失和固体电解质中间相层的破坏而降低循环性能。因此，如何抑制或消除钠枝晶问题是实现钠金属负极稳定循环和商业化应用的关键所在。

2、相关研究表明，负极材料的结构设计可以有效抑制枝晶的生长。钠金属电池中，钠金属的枝晶问题主要是由于钠金属在电极表面析出并且生长形成的。因此，通过使用导电基体、表面改性、孔结构设计等方式，来改变钠金属负极的形貌和界面特征，可以有效减缓钠金属的析出和生长，从而抑制枝晶的生长。碳材料具有资源丰富、成本低廉、导电性优异和可控的微观结构等优点，在稳定钠金属负极方面显示出了巨大的潜力，是作为金属钠沉积骨架的理想材料。因此，调控碳材料的结构可以为解决钠金属电池中枝晶问题提供一种新的方法和思路。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的是提供一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用，可以为金属钠的沉积提供足够的空间，同时能够有效抑制钠枝晶的生长。

2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明公开了一种梯度亲钠碳材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)碳点的生成：将苦荞粉末在空气氛围下炭化，炭化温度为200～400℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的碳前驱体；

5、(2)炭化：将碳点掺杂的碳前驱体在惰性气体氛围下再次炭化，炭化温度为700～1000℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的三维碳骨架材料，即为梯度亲钠碳材料。

6、作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，苦荞粉末由苦荞清洗、烘干、粉碎后制得。

7、作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，升温速率为3～10℃min-1。

8、作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，所得产物用hcl溶液和水洗涤去除杂质，然后过滤、干燥。

9、作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，升温速率为3～10℃min-1。

10、本发明还公开了上述制备方法制备的梯度亲钠碳材料。

11、本发明还公开了梯度亲钠碳材料作为钠金属二次电池负极材料的应用。

12、本发明的有益效果在于：

13、1、本发明的材料由高度石墨化的碳点和高度无序的三维碳骨架构成，二者相互结合形成梯度亲钠的结构，其中碳材料的三维多孔结构可以为金属钠的沉积提供足够的空间，缓解循环过程中的体积膨胀；

14、2、由于碳点的存在，降低了部分位点的亲钠性，钠金属会优先沉积在无序程度更高的非碳点位置，然后逐渐扩散到碳点区域，最终平铺到整个电极，从而有效抑制钠枝晶的生长，显著提高钠金属电池的循环稳定性。

技术特征：

1.一种梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，苦荞粉末由苦荞清洗、烘干、粉碎后制得。

3.如权利要求1所述的梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，升温速率为3～10℃min-1。

4.如权利要求1所述的梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所得产物用hcl溶液和水洗涤去除杂质，然后过滤、干燥。

5.如权利要求1所述的梯度亲钠碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，升温速率为3～10℃min-1。

6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制备的梯度亲钠碳材料。

7.权利要求6所述的梯度亲钠碳材料作为钠金属二次电池负极材料的应用。

技术总结
本发明公开了一种梯度亲钠碳材料及其在钠金属二次电池负极材料中的应用；梯度亲钠碳材料的制备方法包括以下步骤：(1)碳点的生成：将苦荞粉末在空气氛围下炭化，炭化温度为200～400℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的碳前驱体；(2)炭化：将碳点掺杂的碳前驱体在惰性气体氛围下再次炭化，炭化温度为700～1000℃，炭化时间为1～3h，得到碳点掺杂的三维碳骨架材料，即为梯度亲钠碳材料。本发明的梯度亲钠碳材料可以为金属钠的沉积提供足够的空间，同时能够有效抑制钠枝晶的生长。

技术研发人员：陈久存,赵佳明,金燕子
受保护的技术使用者：西南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15