[發(fā)明專利]花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料及其制備方法和用途

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810853591.5
• 申請(qǐng)日: 2018-07-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108975304A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳孟強(qiáng);陳誠(chéng);徐自強(qiáng);王躍生;陳金琛;宋堯琛;馮婷婷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05;H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡;葛啟函

本發(fā)明提供一種花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料及其制備方法和用途，包括步驟：1、收集花椒，清洗并干燥處理；2、將處理后的花椒置于管式爐中在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行預(yù)碳化、高溫碳化、及退火處理；3、退火后的花椒碳用堿液、酸液、水依次洗滌，烘干后得到花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料，本發(fā)明可充分利用大量存在的火鍋廢棄鍋底中的花椒廢渣，和生產(chǎn)花椒時(shí)無(wú)用的花椒籽這些低成本、高含碳的物料，使花椒廢渣成為合成硬碳的理想前驅(qū)體材料，本發(fā)明制備出的生物質(zhì)硬碳，能有效改善鈉/鉀離子在負(fù)極中的脫嵌能力，具有極高的首次庫(kù)倫效率(80.4％)，從而提高鈉離子電池的容量，花椒廢渣來(lái)源廣泛、成本低廉，是傳統(tǒng)生產(chǎn)硬碳前驅(qū)體材料完美的替代品。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于儲(chǔ)能材料及電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料及其制備方法和用途。

背景技術(shù)

從上世紀(jì)90年代鋰離子電池(LIB)的成功商業(yè)化大量的鋰電材料被開(kāi)發(fā)，鋰離子電池的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)代。鋰離子電池因其具有較高的工作電壓、較高的容量、自放電小、功率性能好和循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。然而，進(jìn)入21世紀(jì)，由于進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)的化的離子電池導(dǎo)致鋰資源價(jià)格的持續(xù)上漲。因此，對(duì)鈉(鉀)離子電池的研究又重新受到重視。金屬鈉，鉀與鋰在元素周期表中處于同一主族，三者差異較小，都具有作為搖椅式二次金屬電池能力。

對(duì)于嵌鈉(鉀)的正極材料，迄今已有可行性的研究報(bào)道，如含鈉的過(guò)渡金屬氧化物和過(guò)渡金屬氟磷酸鈉鹽。都具有良好的電壓平臺(tái)和低廉的價(jià)格。但對(duì)于嵌鈉(鉀)的負(fù)極材料的研究相對(duì)較少，主要是具有良好嵌鋰行為的石墨材料層間距較小(0.335nm)，較大的鈉離子無(wú)法有效的嵌入和脫嵌，而用于鉀離子電池負(fù)極時(shí)，嵌入石墨的倍率性能及差。因此要實(shí)現(xiàn)可逆鈉(鉀)離子的有效嵌入和脫嵌，制備有較大層間距碳材料是關(guān)鍵。

無(wú)定形硬碳按照石墨化難易程度，一般分為易石墨化的軟碳和難以石墨化的硬碳，而硬碳材料由于具有比容量高、儲(chǔ)鈉電壓高等優(yōu)點(diǎn)，成為了最具應(yīng)用前景的鈉(鉀)離子電池負(fù)極材料。然而，目前生產(chǎn)硬碳的碳源主要是有機(jī)物，如酚醛樹脂、甲醛等，成本較高，且得到的硬碳的循環(huán)性能差，倍率性能差，首圈容量較低等問(wèn)題，限制了其作為鈉(鉀)離子電池負(fù)極材料的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，提出了一種花椒硬碳鈉/鉀離子電池負(fù)極材料及其制備方法和用途。本發(fā)明提出的制備鈉/鉀離子電池負(fù)極材料的方法中，制備了具有微晶石墨烯堆砌的，多孔的，具有較大層間距的多孔硬碳，這種特殊的多孔-微石墨晶結(jié)構(gòu)，能有效提高鈉(鉀)離子的脫嵌能力，提高鈉(鉀)離子電池的容量和倍率。

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于解決問(wèn)題，提供一種花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料及其制備方法和用途。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、首先收集花椒，清洗并干燥處理；

步驟2、將處理后的花椒置于管式爐中在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行預(yù)碳化、高溫碳化、以及退火處理；

步驟3、退火后的花椒碳用堿液、酸液、水依次洗滌，烘干后得到花椒硬碳鈉/鉀離子負(fù)極材料。

作為優(yōu)選方式，所述花椒為生花椒、或烹調(diào)過(guò)的花椒廢料，包括花椒殼、花椒籽其中至少一種。

作為優(yōu)選方式，步驟1中清洗時(shí)將花椒置于水、乙醇、甲醇、丙酮中一種或者幾種混合溶液中清洗除去表面油脂，清洗液體溫度為10-100℃。

作為優(yōu)選方式，步驟2中預(yù)碳化前對(duì)花椒進(jìn)行單獨(dú)酸洗、或者單獨(dú)堿洗、或者先堿洗后酸洗，堿液選自氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋰、氨水，酸液選自鹽酸、硫酸、硝酸、乙酸；堿液的氫氧根濃度為0.3-1mol\L，酸液的氫離子濃度為0.5-3mol\L的，洗滌時(shí)間為1-10小時(shí)，洗滌溫度為10-90℃。