[發明專利]一種基于生物質的官能團修飾的鈉離子電池負極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201880036077.0
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN110753673A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 侴術雷;張睿琦;李春生;李用成;曹余良;李東祥;李亞書
• 申請（專利權）人: 遼寧星空鈉電電池有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/587;H01M10/054;H01M4/02
• 代理公司: 11614 北京思創大成知識產權代理有限公司
• 代理人: 高爽

本發明提供一種基于生物質的官能團修飾的鈉離子電池負極材料及其制備方法與應用，包括如下步驟：將生物質材料水洗干燥，在惰性氣氛下以100?800℃燒結1?48小時后，冷卻至室溫后粉碎得到具有一定顆粒度的碳前體；將碳前體用處理液浸泡0.5?72小時，洗去雜質、增加碳材料表面的官能團并且對孔分布進行調節；將處理后的碳前體洗滌、干燥并且過篩之后進行二次燒結，在惰性氣氛下以800?2500℃保溫0.5?48小時，得到最終的產物。本發明操作工藝簡單易行，該生物質基多孔碳材料價格低廉，能量密度較高，倍率性能良好在鈉離子電池負極材料領域具有較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池負極材料領域，涉及一種基于生物質的官能團修飾的鈉離子電池負極材料及其制備方法與應用。

背景技術

鋰離子電池作為重要的電化學儲能器件的一種，由于具有高能量密度、長循環壽命和無記憶效應等特點已經被大規模的生產并且廣泛的應用到了數字化產品、電動汽車以及智能電網中。但是隨著各種新型電子器件的出現以及新能源汽車的蓬勃發展和市場需求的持續增大，鋰離子電池所需的鋰資源出現嚴重的緊缺，隨之帶來的是高昂的電池成本，它很大程度上制約了鋰離子電池的大規模生產及使用。因此，尋找代替鋰離子電池的新型的能源儲存器件將決定著通訊基站、電動車行業的發展方向。金屬鈉和鋰處于同一主族并且具有相似的化學性質，同時金屬鈉是僅次于鋰的體積最小、質量最輕的金屬。因此，鈉離子電池和鋰離子電池也具有相似的工作原理，而且鈉離子電池所使用的原材料具有資源豐富、價格低廉、安全性能優異等特點，從而有可能作為下一代的新能源儲能器件而得到廣大研究者的青睞，并且在智能電網等大規模的儲能應用中也具有非常美好的前景。但是要實現高性能鈉離子電池的快速發展卻受到電極材料的制約，其中負極材料的選擇變得尤為重要。鈉離子電池和鋰離子電池具有相似的工作原理，但是如果將金屬鈉直接作為鈉離子電池負極時，在電池工作時會生成枝晶，從而造成電池短路等安全性問題。同時由于金屬鈉在許多有機電解液中反應活性高和鈍化層不穩定等特點使得非常少的負極材料適合鈉離子的脫嵌，因此如何尋找具有大的鈉儲存能力和高結構穩定性的電極材料是當前的關鍵。

石墨作為一種很常見的電極材料已經被大量地應用于鋰離子電池，但是對于鈉離子電池來說，由于鈉自身的熱力學和動力學問題，只能表現出極低的比容量。硬碳材料是當前鈉離子電池的熱門負極材料之一，這是因為硬碳材料具有相對比較高的可逆比容量、來源豐富可再生、價格低等特點。Stevens和Dahn通過高溫碳化葡萄糖制備了硬碳材料并第一次報道了鈉離子可以在硬碳材料進行可逆脫嵌，證明在無序碳材料中的鈉存儲機理和鋰離子電池的儲存機理相似，其容量高達300m Ah g^-1。硬碳材料的獲取通常是通過不同的含碳前驅體獲得的，比如說有機聚合物、多糖等。生物質作為一種含碳的前驅體也被學者們廣泛研究。與其他含碳前驅體相比較,生物質碳具有來源廣泛、低成本、制備簡單等優點，通過簡單的熱解，能夠得到繼承了生物質前驅體天然形貌的硬碳材料。通過引入不同的官能團，可以有效的改善鈉離子電池負極材料的電導率和反應活性。以生物質為前驅體制備材料為大批量、低成本制備鈉離子負極材料提供了一種有效的思路方法。本發明來料廣泛，成本低廉，而且通過化學處理增加了官能團的數量，調節了孔的分布，能夠滿足作為鈉離子電池負極材料的各項指標。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足而提供的一種利用生物質制備官能團修飾的鈉離子電池負極材料的方法。本發明操作工藝簡單易行，該生物質基多孔碳材料價格低廉，能量密度較高，倍率性能良好，在鈉離子電池負極材料領域具有較好的應用前景。

為實現上述技術目的，本發明的第一方面提供一種基于生物質的官能團修飾的鈉離子電池負極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)將生物質材料水洗干燥；

(2)將步驟(1)得到的生物質材料在惰性氣氛下以100-800℃燒結1-24小時，得到初步熱解的碳前體；

(3)將步驟(2)得到的碳前體粉末進行粉碎；