1 专利技术优势与特点
本发明采用碘对沥青类物质进行结构改性制备硬碳材料，扩大了沥青基硬碳材料的制备工艺选择，对于储能用硬碳材料的结构及工艺优化拥有重要的科学价值。
2 专利背景
随着世界能源和环境问题的日益突出，清洁能源和可持续能源的开发已引起了广泛关注。锂离子电池(LIBs)以其高能量和功率密度、高电压、长寿命和无污染的运行方式广泛应用于便携式电子设备、混合动力电动汽车和电动汽车等。但是，地球上锂资源稀缺，不能够满足未来需求。因此，迫切需要开发一种替代锂离子电池的储能技术。相比之下，钠资源丰富，分布在全球各地，并且在元素周期表中与锂在同一碱性基团中，具有与锂元素相似的化学/电化学性质，使钠离子电池(NIBs)成为最有前途的锂离子电池替代品。
然而，较大的Na+离子半径和较高的标准电化学电位(‑2.71VNa/Na+和‑3.04VLi/Li+vs.SHE)导致NIBs有较低的功率和能量密度。此外，由于钠离子的离子尺寸较大，锂离子电池的商业负极材料石墨不能有效地储存钠离子。目前，常见的钠离子电池负极材料有碳材料、合金类物质、氧化物和有机化合物等。碳材料因其低成本、高结构稳定性和良好的导电性而受到越来越多的关注。硬碳由于其无序程度较高、层间距离较大以及其具有丰富的纳米孔和缺陷被认为是有利于Na离子插入与脱除的。
沥青因其碳含量高、资源丰富而被认为是一种很有前途的碳前驱体。不同烷基取代性和芳香性的沥青物质通常被用作前驱体制备碳材料。由于其优异的芳香烃结构，未经任何处理的沥青在碳化过程中易形成类石墨结构。目前通常采用交联剂或预氧化法对沥青进行改性，阻碍沥青热解炭化过程中石墨微晶的长大从而得到硬碳材料。碘作为一种非金属元素，外层电子为5s25p5，有很强的得电子倾向，会与烷烃、烯烃等发生自由基取代反应。但目前尚未见利用碘的强氧化性改进沥青来制备钠离子电池用硬碳材料的报道，碘改性沥青制备硬碳材料的工艺流程还存在不明确性。如果能够通过碘对沥青类物质进行结构改性制备硬碳材料，不仅能实现沥青类物质的高附加值利用，还能增加沥青基硬碳材料的制备工艺选择，对于储能用硬碳材料的结构及工艺优化拥有重要的科学价值。
3 典型实施例
实施例1
一种碘交联制备沥青基硬碳材料的方法，具体制备方法包括以下步骤：
(1)将软化点为70℃的石油沥青粉碎过筛，得到粒径约100μm的沥青粉末；
(2)称取10g沥青粉末置于玻璃试管中，10g碘放入连通的另一试管中，密封体系，置于加热设备中，80℃加热100h，使得碘蒸汽与原料发生交联反应，冷却后，得到碘化沥青；
(3)将碘化沥青置于高温炭化炉中，在氮气气氛下，800℃高温处理2h；
(4)将高温处理产物冷却至室温，最终得到无定形硬碳材料即为钠离子电池负极材料。
图1为硬碳材料的TEM电镜图，从图1可以看出制备的材料为典型的硬碳无序微晶结构。
将实施例1制备的硬碳材料与导电剂超导炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)以质量比为8:1:1的比例混合，加入适量N‑甲基吡咯烷酮(NMP)研磨成浆体，涂覆到铜箔上，在真空烘箱中于80℃烘干。所得电极为负极，金属钠为正极，电解液为1MLNaClO4/(EC+DMC)(体积比为1:1)混合体系，隔膜为玻璃纤维，在充满氩气的手套箱内组装成2032型扣式电池。
14011002000166号