[發(fā)明專利]一種軟炭包覆的球型木質素碳材料及其制備方法與在鈉離子電池負極材料中的應用

在審

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• 申請日: 2023-02-06
• 公開（公告）號: CN116177525A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設計）人: 蔣綺雯;董英男;王迪;江柯成
• 申請（專利權）人: 江蘇正力新能電池技術有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M10/054;H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 殷海霞

本發(fā)明公開了一種軟炭包覆的球型木質素碳材料及其制備方法與在鈉離子電池負極材料中的應用，包括以下步驟：(1)將木質素分散于檸檬酸水溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮混合均勻后，再加入氨水進行加熱反應，得到軟炭前驅體包覆的木質素微球；(2)將步驟(1)制備得到的木質素微球在惰性氣氛下進行煅燒處理，煅燒結束后降溫，然后通入氫氣進行保溫處理，得到所述軟炭前驅體包覆的球型木質素碳材料。本發(fā)明通過一步水熱法制備得到軟炭包覆的木質素微球，再經過煅燒制備得到球型氮摻雜的軟炭包覆木質素碳材料，具有高導電性以及良好的機械性能，可作為鈉離子電池負極材料制備鈉離子電池，可有效提高鈉離子電池的首圈庫倫效率以及循環(huán)穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明涉及鈉離子電池技術領域，具體涉及一種軟炭包覆的球型木質素碳材料及其制備方法與在鈉離子電池陽極材料中的應用。

背景技術

鋰離子電池由于高能量密度和高功率密度等優(yōu)點，是大型能量儲存的良好選擇，近年來在便攜式電子設備及新能源汽車上也得到了廣泛應用。但隨著數(shù)碼、交通等產業(yè)對鋰離子電池的依賴加劇，有限的鋰資源必將面臨短缺問題。鋰元素和鈉元素在元素周期表中處于同一主族且位置相鄰，具有非常相似的物理和化學性質；同時鈉離子又在地殼中含量相當豐富、價格廉價以及具有與鋰離子電池非常相似的儲能機理，因此鈉離子電池是最有潛力替代鋰離子電池的新型儲能器件。

負極材料對堿離子電池的快充、倍率性能的影響至關重要，由于鈉離子的離子半徑遠大于鋰離子，目前適用于鋰離子電池的石墨類負極材料已不適用于鈉離子電池，開發(fā)高性能非石墨類碳負極材料對于鈉離子電池的發(fā)展具有重要意義。相比較石墨，硬炭是具有隨機取向的石墨域，較高的碳層間距和一些殘留的雜原子的無序結構炭能夠提供更多的鈉離子擴散路徑和鈉離子儲存位點，在鈉離子電池負極材料方面具有良好的應用前景。但過多的缺陷結構使硬炭作為負極材料的鈉離子電池首圈庫倫效率較低、循環(huán)穩(wěn)定性較差，且羧基、羥基等含氧官能團與鈉離子的結合能較大，發(fā)生不可逆反應，在全電池中會增加正極的鈉離子消耗，從而降低克容量。

因此，有必要通過選擇合適的碳源、結構的設計以及表面改性等來設計合理的硬炭材料，以制備具有高庫倫效率、長循環(huán)壽命的鈉離子電池。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種軟炭包覆的球型木質素碳材料的制備方法，以木質素為硬炭前驅體源、檸檬酸為軟炭前驅體源以及氨水為氮源，通過一步水熱法合成軟炭前驅體包覆的木質素微球，經煅燒、還原處理后制備得到軟炭包覆的球型木質素碳材料。上述制備得到的具有高含量石墨疇以及氮摻雜的碳材料，具有優(yōu)異的導電性以及電化學性能，由其作為負極材料制備的鈉離子電池具有高首圈庫倫效率以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供以下技術方案：

本發(fā)明第一方面提供了一種軟炭包覆的球型木質素碳材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將木質素分散于檸檬酸水溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮混合均勻后，再加入氨水進行加熱反應，得到軟炭包覆的木質素微球；

(2)將步驟(1)制備得到的軟碳包覆的木質素微球在惰性氣氛下進行煅燒處理，煅燒結束后降溫，然后通入氫氣進行保溫處理，得到軟碳包覆的球型木質素碳材料。

進一步地，步驟(1)中，所述木質素選自堿木素、酶解木素、磨木木素中的一種或多種。

進一步地，步驟(1)中，所述木質素與檸檬酸水溶液的質量體積比為1:3～4.5g/mL，所述檸檬酸水溶液的濃度為1～2mol/L。

進一步地，步驟(1)中，將木質素加入檸檬酸水溶液中，通過超聲使木質素在檸檬酸水溶液中均勻分散。

進一步地，步驟(1)中，所述木質素與氨水溶液的質量體積比為1:0.5～2g/mL，所述氨水溶液的濃度為20wt％～40wt％。

進一步地，步驟(1)中，所述加熱反應的溫度為200～260℃，時間為3～5h。