本發(fā)明涉及電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳凝膠負(fù)載鈉離子電池電極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著電子設(shè)備、電動(dòng)工具、小功率電動(dòng)汽車等迅猛發(fā)展，研究高能效、資源豐富及環(huán)境友好的儲(chǔ)能材料是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的必要條件。為滿足規(guī)模龐大的市場(chǎng)需求，僅依靠能量密度、充放電倍率等性能衡量電池材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
金屬鈉元素在地殼中儲(chǔ)量相對(duì)豐富(地殼中鈉含量約為2.75％，而鋰含量約為0.065‰)且分布區(qū)域廣泛(鈉分布于全球各地，而約70％的鋰卻集中分布在南美洲地區(qū))，同時(shí)鈉和鋰的物理化學(xué)性質(zhì)相似且脫/嵌機(jī)制類似，因此鈉離子電池的研究與開發(fā)有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲(chǔ)能電池發(fā)展受限問題。除了資源豐富易得、成本低廉、分布廣泛的優(yōu)勢(shì)外，在電池體系中鈉不會(huì)與鋁發(fā)生電化學(xué)合金化反應(yīng)，因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體(替代鋰離子電池體系中銅箔集流體)，這樣可以有效避免過放電引起的集流體氧化問題，既有利于電池的安全，又達(dá)到了進(jìn)一步降低電池成本的目的。但是由于鈉離子半徑比鋰離子半徑大，其能量密度和功率密度比鋰離子電池要低。
此外，鈉離子電池正極材料導(dǎo)電性較差，并且鈉離子半徑較鋰離子半徑大，鈉脫嵌比鋰脫嵌難，導(dǎo)致材料實(shí)際放出比容量較低，倍率性能較差。針對(duì)此問題，研究者們主要采用碳包覆和減小顆粒尺寸提高電導(dǎo)率。碳凝膠材料在高能量密度電池正極材料中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。碳干凝膠具有納米級(jí)的膠體顆?；蚋呔畚锓肿酉嗷ミB接所形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且具備比表面積大、孔徑結(jié)構(gòu)可調(diào)、高電導(dǎo)率和水熱穩(wěn)定性等特性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種碳凝膠負(fù)載鈉離子電池電極材料的制備方法，所述方法制備的正極材料電化學(xué)穩(wěn)定性好、比容量高、能量密度高、制備方法簡(jiǎn)單；本發(fā)明負(fù)載碳凝膠前將碳凝膠內(nèi)部空氣排出，更有利于電極材料進(jìn)入碳凝膠的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮碳凝膠材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，能夠使得電極材料分布在碳凝膠微觀結(jié)構(gòu)的空隙中，從而優(yōu)化碳凝膠負(fù)載電極材料的均勻程度，獲得了優(yōu)良的電化學(xué)性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳凝膠負(fù)載鈉離子電池電極材料的制備方法，該方法包括如下步驟：
（1）制備得到三元正極材料
將碳酸鈉、氧化銅、氧化鐵按照質(zhì)量比10：（0.03-0.1）：（0.15-0.26），研磨混合均勻后，在氧氣氛圍下，在1200-1350℃下反應(yīng)20-30小時(shí)，冷卻后，研磨成粒徑小于10μm的顆粒物，得到所述三元正極材料；
（2）負(fù)載凝膠碳
（21）將三元正極材料放入活塞密封氣缸底部，三元正極材料上部疊放碳凝膠材料，裝入活塞；其中碳凝膠材料與三元正極材料的質(zhì)量比為1：（9-10）；
（22）排出氣缸內(nèi)及碳凝膠材料中的空氣，然后通過氣缸出口通入惰性氣體；
（23）密封氣缸出口，快速推壓活塞，氣缸內(nèi)的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使三元正極材料受熱，并在活塞壓力下進(jìn)入碳凝膠材料的孔道之中，氣缸內(nèi)惰性氣體壓縮比為5-10；
（24）快速抽拉活塞至碳凝膠材料初始長(zhǎng)度，惰性氣體因體積膨脹溫度下降，隨著溫度的下降，三元正極材料均勻分散在碳凝膠材料的孔道中，其中，活塞推壓速度為1-2m/s；
（25）重復(fù)（22）-（24）步操作，即獲得碳凝膠負(fù)載鈉離子電池電極材料。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和顯著效果：
（1）所述方法制備的正極材料電化學(xué)穩(wěn)定性好、比容量高、能量密度高、制備方法簡(jiǎn)單。
（2）本發(fā)明負(fù)載碳凝膠前將碳凝膠內(nèi)部空氣排出，更有利于電極材料進(jìn)入碳凝膠的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮碳凝膠材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，能夠使得電極材料分布在碳凝膠微觀結(jié)構(gòu)的空隙中，從而優(yōu)化碳凝膠負(fù)載電極材料的均勻程度，獲得了優(yōu)良的電化學(xué)性能。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
將碳酸鈉、氧化銅、氧化鐵按照質(zhì)量比10：0.03：0.15，研磨混合均勻后，在氧氣氛圍下，在1200℃下反應(yīng)20小時(shí)，冷卻后，研磨成粒徑小于10μm的顆粒物，得到所述三元正極材料。
將三元正極材料放入活塞密封氣缸底部，三元正極材料上部疊放碳凝膠材料，裝入活塞；其中碳凝膠材料與三元正極材料的質(zhì)量比為1：9。
排出氣缸內(nèi)及碳凝膠材料中的空氣，然后通過氣缸出口通入惰性氣體。密封氣缸出口，快速推壓活塞，氣缸內(nèi)的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使三元正極材料受熱，并在活塞壓力下進(jìn)入碳凝膠材料的孔道之中，氣缸內(nèi)惰性氣體壓縮比為5。
快速抽拉活塞至碳凝膠材料初始長(zhǎng)度，惰性氣體因體積膨脹溫度下降，隨著溫度的下降，三元正極材料均勻分散在碳凝膠材料的孔道中，其中，活塞推壓速度為1m/s；重復(fù)操作，即獲得碳凝膠負(fù)載鈉離子電池電極材料。
實(shí)施例二
將碳酸鈉、氧化銅、氧化鐵按照質(zhì)量比10：0.1：0.26，研磨混合均勻后，在氧氣氛圍下，在1350℃下反應(yīng)30小時(shí)，冷卻后，研磨成粒徑小于10μm的顆粒物，得到所述三元正極材料。
將三元正極材料放入活塞密封氣缸底部，三元正極材料上部疊放碳凝膠材料，裝入活塞；其中碳凝膠材料與三元正極材料的質(zhì)量比為1：10。
排出氣缸內(nèi)及碳凝膠材料中的空氣，然后通過氣缸出口通入惰性氣體。密封氣缸出口，快速推壓活塞，氣缸內(nèi)的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使三元正極材料受熱，并在活塞壓力下進(jìn)入碳凝膠材料的孔道之中，氣缸內(nèi)惰性氣體壓縮比為10。
快速抽拉活塞至碳凝膠材料初始長(zhǎng)度，惰性氣體因體積膨脹溫度下降，隨著溫度的下降，三元正極材料均勻分散在碳凝膠材料的孔道中，其中，活塞推壓速度為2m/s；重復(fù)操作，即獲得碳凝膠負(fù)載鈉離子電池電極材料。
將上述實(shí)施例一、二所得產(chǎn)物材料作為正極，金屬鈉片作為負(fù)極，玻璃纖維膜作為隔膜，溶質(zhì)為1mnaclo4，溶劑ec和dec混合物(體積比1:1)，添加劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的fec作為電解液，鋁箔作為集流板，通過cr2016扣式殼體按照正極殼體、集流體、正極電極、電解液、隔膜、電解液、負(fù)極電極、負(fù)極殼體的順序依次疊放壓緊組裝成鈉離子電池。在測(cè)試溫度為25℃下進(jìn)行電性能測(cè)試，首次充放電容量分別為183和179mahg-1，在10c倍率下循環(huán)100次容量保持率均高達(dá)98％以上。