[發明專利]一種鈉離子電池負極用生物質硬碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810859808.3
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN109004199B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 白瑩;吳鋒;張明昊;吳川;王兆華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 張群峰;錢揚保

本發明公開了一種鈉離子電池負極用生物質硬碳材料的制備方法，采用廉價易得的生物質為碳源，用簡單便捷的方法制備成鈉離子電池負極用硬碳材料，能夠有效降低鈉離子電池的成本。同時，該硬碳材料碳層間距大，能夠容納鈉離子的嵌脫，制備的鈉離子電池具有優異的電化學性能，擁有良好的工業化前景，非常適合應用于大規模儲能系統。

技術領域

本發明涉及一種鈉離子二次電池負極材料的制備方法，具體涉及一種鈉離子電池負極用生物質硬碳材料的制備方法。

背景技術

鋰離子二次電池由于具有能量密度高、使用壽命長、額定電壓高、倍率性能好、自放電低、綠色環保的優點，近年來已經被廣泛應用在移動設備和電動汽車中。然而，地球上鋰礦的儲量有限，分布也不均勻。全球一半的鋰礦資源分布在美洲，我國的鋰礦資源并不豐富。隨著鋰離子電池的發展，勢必會造成鋰礦價格上漲，也會使鋰礦枯竭，不利于可持續發展的要求，所以將鋰離子電池應用于大規模電化學儲能系統中可能存在著一些問題。

鈉元素作為與鋰同族的元素，與鋰有著相似的物理化學性質，所以鈉離子電池越來越受到人們的關注。鈉元素作為地殼中含量第六多的元素，在地球上的儲量遠比鋰豐富，價格也更加低廉，若將鈉離子電池大規模應用于電化學儲能系統中，可以有效降低成本。然而為了滿足大規模儲能器件的要求，就需要研發兼具高能量密度及可持續性的鈉離子電池材料。

由于鈉離子的半徑比鋰離子大，所以作為鋰離子電池中商業化最成功的石墨材料，在鈉離子電池中表現出的儲鈉容量并不高。而硬碳材料由于具有較石墨更大的碳層間距，能夠容納更大的鈉離子的脫嵌，被認為是最有希望商業化的鈉離子電池的負極材料。其中生物質硬碳材料由于來源廣泛，綠色無污染，也受到人們的廣泛關注。目前有利用花生殼、秸稈以及雜草作為碳源制備生物質硬碳的報道，但是制備的硬碳材料容量普遍不高，難以滿足鈉離子電池商業化的要求。

因此，亟需開發出一種制備方法簡單，成本低廉，儲鈉容量高的生物質硬碳材料。

發明內容

本發明首要目的是提供一種操作簡單的制備鈉離子電池負極用生物質硬碳材料的方法。本發明制備的硬碳材料具有較大的比表面積，微孔豐富，制備工藝簡單，表現出優異的電化學性能，是一種優異的鈉離子電池負極材料。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

(1)將生物質材料用去離子水洗滌并在真空干燥箱中干燥；

(2)在保護氣氣氛下，將步驟(1)得到的材料在高溫爐中高溫碳化；溫度為800～1400℃，碳化時間為2～5h，升溫速率為1～10℃/min；

(3)將步驟(2)中得到的材料研磨成粉末狀，在濃度為0.5～2M 的酸或堿溶液中攪拌6～12h，然后用去離子水洗滌至中性，并在真空干燥箱中真空干燥，得到鈉離子電池負極用生物質硬碳材料。

進一步地，步驟(1)中所用的生物質材料為蓮科植物，包括蓮和美洲黃蓮的蓮蓬、蓮子、荷葉、蓮藕等部位。

進一步地，步驟(1)中真空干燥的溫度為60～120℃，時間為 8～24h。

進一步地，步驟(2)中的保護氣為氬氣或氮氣，保護氣流速為 100～300sccm。

優選情況下，步驟(2)中的高溫碳化分為兩段式熱處理，第一段的熱處理溫度為800℃至1000℃，升溫速率為5～10℃/min，恒溫熱處理時間為1～2小時；第二段的熱處理溫度為1200℃至1400℃，升溫速率為1～2℃/min，恒溫熱處理時間為1～2小時。在第一段熱處理過程中，生物質發生熱解，快速釋放掉大量有機分子，有利于形成豐富的孔洞結構；在第二段熱處理過程中，生物質進行緩慢石墨化和結晶，提高結構強度和導電性。

進一步地，步驟(3)中優選使用1.0mol/L的鹽酸來處理所得硬碳粉末材料，從而提升材料的循環性能和倍率性能。