含硬碳材料的制备方法及其用途技术

本发明专利技术涉及一种用于制备具有100m2/g或更小的比表面积的含硬碳材料的方法，其包括使用一种或多种动物来源材料。一种或多种动物来源材料。一种或多种动物来源材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含硬碳材料的制备方法及其用途
专利

[0001]本专利技术涉及某些含碳材料用以制备含硬碳材料的新的用途、一种用于制备含硬碳材料的新的方法、由此制备的含硬碳材料、含有这种含硬碳材料的电极和这种电极在例如储能装置如电池(尤其是可充电电池)、电化学装置和电致变色装置中的用途。
[0002]专利技术背景
[0003]钠离子电池在许多方面类似于现今常用的锂离子电池；它们都是包含阳极(负极)、阴极(正极)和电解质材料的可重复使用的二次电池，它们都能够储存能量，并且它们都经由类似的反应机制充电和放电。当钠离子(或锂离子)电池充电时，Na
+
(或Li
+
)离子从阴极脱嵌并嵌入阳极中。同时，电荷平衡电子从电池的阴极经过包含充电器的外部电路进入电池的阳极。在放电期间，发生相同的过程，但方向相反。
[0004]锂离子电池技术近年来已经备受关注，并且为现今使用的大多数电子装置提供了优选的便携式电池；然而，锂不是廉价的金属资源，并且被认为对于用于大规模应用太昂贵。相比之下，钠离子电池技术仍处于相对初期，但被视为有优势的；钠比锂丰富得多，并且一些研究者预测这将提供更便宜且更耐用的方式以将能量存储到将来，特别是对于大规模应用，如将能量存储在电网上。然而，在钠离子电池成为商业现实之前，仍有大量工作要做。
[0005]需要更多关注的一个领域是开发特别用于钠离子电池的新的阳极电极材料。
[0006]由于石墨形式的碳具有高的重量容量和体积容量，在一段时间以来作为锂离子电池中的阳极材料而受到青睐；石墨电极提供大于360mAh/g的可逆容量，与372mAh/g的理论容量相当。电化学还原过程涉及使Li
+
离子嵌入石墨烯层之间以产生LiC6。然而，不幸地，石墨对钠的电化学活性小得多，这与钠具有比锂明显更大的原子半径的事实相结合，导致石墨阳极中石墨烯层之间的嵌入在钠离子电池中被严重限制。
[0007]另一方面，发现使用硬碳材料制成的阳极(如US2002/0192553A1、US9,899,665B2、US2018/0287153A1中所描述的)在钠离子电池中进展得更有利得多。硬碳具有无序结构，其克服了钠离子的许多嵌入问题。硬碳材料的确切结构仍有待解决，但一般而言，硬碳被描述为缺乏长程结晶有序性的不可石墨化碳材料。硬碳具有层，但是这些层在长距离上不是整齐堆叠的，并且它是微孔材料。在宏观水平上，硬碳是各向同性的。难以构建硬碳的通用结构模型的原因之一是详细结构、晶畴尺寸、碳层的分数和微孔取决于合成条件，如碳源和碳化温度。用于生产可以在用于二次电池应用的电极中使用的硬碳材料的通常方法涉及在无氧气氛中将富碳起始材料加热至大于500℃的温度，所述富碳起始材料如矿物，例如石油焦炭和沥青焦炭；次级植物基材料如蔗糖和葡萄糖；人造有机材料如聚合物烃和更小的有机化合物如间苯二酚甲醛；和原生植物来源材料如椰子壳、咖啡豆、稻草、竹子、稻壳、香蕉皮等。在当加热植物来源材料时的情况下，生成“生物炭”或生物质炭，其可以进一步被加工以获得硬碳材料。
[0008]本专利技术的目的是提供一种某些含碳起始材料用以制备含硬碳材料的新用途。进一步地，本专利技术的目的是提供一种用于制备含硬碳材料的新方法，其利用了某些含碳起始材料。该方法将具有成本效益，尤其是在商业规模上，将使用容易获得的材料并且将生成含硬
碳材料，在其电化学性能方面以及还有在其纯度方面将至少匹配并且优选地超过已知的含硬碳材料。所得含硬碳材料将可用作用于储能装置如电池(尤其是二次(可充电)电池)、碱金属离子电池(包括钠离子电池)、电化学装置和电致变色装置的电极活性材料(特别是负极或阳极电极活性材料)。重要地，这些含硬碳材料将生成提供优异的首次放电比容量的储能装置，并展现出高的首次放电容量效率(库仑效率)，以在整个循环中从电池提取的总电荷与输入电池中的总电荷的比计算。
[0009]为了实现这些目的，本专利技术使用包含动物来源材料的含碳起始材料。如本文所使用的，术语“动物来源材料”是指可以源自一种或多种动物来源的材料。例如，“动物来源材料”包括在食物已经通过动物的消化道并且已经从动物的消化道排泄之后留下的废物材料(本文称为“动物来源废物材料”)，即含碳材料包括动物粪便。可以使用来自任何动物来源的粪便，但最丰富的动物来源废物材料包括鸡、羊、马、牛、猪和人的粪便。来源于后者的粪便理想地呈污水污泥或污水污泥生物炭的形式。动物来源废物材料可以源自一种动物来源或动物来源的混合物，并且进一步包括单独的粪便或与其他材料例如动物垫料材料如干草、稻草、木刨花；玉米芯和玉米皮；和蘑菇堆肥组合的粪便。“动物来源材料”还包括如屠体、骨、皮肤(skin)、兽皮(hide)、羽毛、毛发、角和动物乳汁的材料，所有这些材料都可以源自任何动物。
[0010]动物来源材料提供了使用本专利技术的方法转化成具有如以上所描述的不可石墨化的非晶结构的硬碳材料的碳的来源。
[0011]包含根据本专利技术制备的“含硬碳材料”的阳极可以仅包含使用如以上所描述的一种或多种动物来源材料制备的硬碳材料，或者它们可以包含一种或多种的这种含硬碳材料与一种或多种元素和/或化合物的组合。优选的示例组合包括硬碳(根据本专利技术所制备的)/X材料，其中X可以是一种或多种元素如锑、锡、磷、硫、硼、铝、镓、铟、锗、铅、砷、铋、钛、钼、硒、碲、硅或碳。硬碳/Sb、硬碳/Sn、硬碳/Sb
x
Sn
y
、硬碳/硅、硬碳/碳化硅(HC/SiC)、或硬碳/硅酸钠是合适的含硬碳材料。与硬碳材料组合的一种或多种元素和/或化合物可以在硬碳材料的制造期间得到，或者供选择地，一种或多种元素和/或化合物可以在已经通过本专利技术的方法制备含硬碳材料之后添加至其中。
[0012]因此，本专利技术提供了一种利用至少一种动物来源材料制备含硬碳材料的方法。
[0013]动物来源材料、特别是动物来源废物材料，典型地呈干燥或半干燥颗粒的形式运输，必要时，可以将其优选地研磨至不大于固体(非碳)杂质的最小颗粒尺寸的粒度。典型地，动物来源材料的粒度小于5mm并且优选地小于或等于1mm。商业上可获得的动物来源材料可以呈炭化的或未炭化的形式，例如在人来源废物材料的情况下，为了便于运输，它优选地呈污水污泥(即水性悬浮液)的形式，并且它典型地以“炭化的”形式可获得。
[0014]一些动物来源材料可以是相对纯的，但更经常地，它们含有多达30重量％的不需要的杂质(这些将是非碳基材料)。典型地，这些将是选自含矿物质、含金属离子和含非金属离子的杂质中的一种或多种。后文提及的“矿物质”、“金属离子”和“非金属离子”应解释为包括元素和化合物形式的矿物质、金属和非金属)。重要的是，防止尽可能多的不需要的杂质被带入最终含硬碳材料中，或以其他方式导致在最终含硬碳材料中形成其他杂质，因为当其被用作活性阳极电极材料时，这将不利地改变最终含硬碳材料的库伦效率、循环寿命和/或绝对比容量性能。因此，本专利技术的关键目的是提供使用动物来源材料制备的最终含硬
碳材料，其不含有或含有非常低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于制备含硬碳材料的方法，其包括利用一种或多种动物废物来源材料。2.一种用于制备含硬碳材料的方法，其包括以下步骤：a)提供包含一种或多种动物来源材料的组合物；b)在步骤a)中的所述组合物包含一种或多种未炭化的动物来源材料的情况下，在150℃至700℃的温度下加热所述组合物以炭化所述一种或多种动物来源材料以产生炭化的动物来源材料；c)处理来自步骤a)或步骤b)的包含炭化的动物来源材料的所述组合物以去除任何不需要的含金属离子和/或含非金属离子的杂质，并产生经处理的炭化的动物来源材料，其含有小于10重量％的含金属离子和/或含非金属离子的杂质；和d)在大于700℃至2500℃的温度下使来自步骤c)的所述经处理的炭化的动物来源材料热解以制备具有100m2/g或更小的比表面积的含硬碳材料。3.根据权利要求2所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：法拉典有限公司，
类型：发明
国别省市：