一种生物质复合硬碳负极材料的制备方法及负极材料与应用技术

本发明专利技术涉及一种生物质复合硬碳负极材料及其制备方法与应用。生物质复合硬碳负极材料的制备方法，将生物质材料粉碎、金属盐和有机碳源混合，进行烘干、粉碎得生物质前驱体材料；将生物质前驱体材料转入惰性气体进行高温煅烧、冷却后得生物质硬碳材料；将生物质硬碳材料置于酸液中浸泡、烘干后与硼源、硫源、磷源和氮源中的一种混合，在微波下处理后用去离子洗至PH值不变，干燥得生物质复合硬碳负极材料。本发明专利技术形成有机硬碳包覆生物质硬碳的复合型生物质硬碳材料，生物质硬碳通过表面包覆有机碳的方法抑制生物质碳与电解液副反应，进一步进行表面掺杂元素提升材料本身导电性，使制备的材料具有较高的首效、优越的倍率性能和循环性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质复合硬碳负极材料的制备方法及负极材料与应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池
，特别是涉及一种生物质复合硬碳负极材料的制备方法及负极材料与应用。

技术介绍

[0002]近年来，能源和环境问题已经成为制约人类社会发展的瓶颈性问题。一方面传统化石能源的过度消耗已逐渐无法满足人类社会日益增加的能源需求，另一方面随之而来的环境问题也逐步成为阻碍社会进步的难题。因此，促进绿色新能源的开发与应用成为主流。
[0003]随着科技发展和人类社会进步，人类对便携性电子设备、电动车等设备和大规模储能工程领域的需求日益增加。随着锂离子电池进入人类的视野，现已被广泛应用于各相关行业，展现出令人瞩目的前景。但是锂离子电池高昂的成本问题以及资源短缺等问题在一定程度上限制了其发展应用。钠离子电池与锂离子电池基本同时开始被学者研究，钠资源的储量丰富，且分布均匀，已有研究证明了钠离子电池的性能可与锂离子电池相当。钠离子电池满足了当下人类对能源的需求，逐步成为热点研究。
[0004]当前，石墨已经是应用最广泛的商业化锂离子电池负极材料，但钠离子的原子半径比锂离子的原子半径大，很难进入石墨层，故石墨储钠性能较差。而硬碳材料因其比石墨的层间距更大，能够有利于钠离子的存储与脱嵌，能够在钠离子脱嵌过程中保持良好稳定性，适宜做钠离子电池负极材料，且生物质硬碳材料因其来源广泛、绿色无污染和价格低廉引起了广大学者的研究。但其循环中可逆性差、首次效率低等问题，因此，有必要开发出一种成本低廉，首效高、储钠容量高且可逆性好的生物质硬碳材料。
[0005]如公开号CN113948681A名称为一种生物质基硬碳化合物复合材料及其制备方法和用途，一种生物质基硬碳化合物复合材料的制备方法具体步骤：步骤一：将生物质前驱体进行清洗，泡在去离子水中进行超声处理之后进行干燥，干燥后进行破碎得到颗粒物A；步骤二：将颗粒物A与B混合均匀得到混合物C，B为非金属单质和/或非金属化合物；步骤三：将混合物C加入H中混合均匀，H为一种或者多种金属盐的混合物，A和H的质量比为1:(1
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10)，得到混合物D；步骤四：将混合物D在隔绝氧气环境下，先进行低温保温，再升温进行碳化，得到产物E；步骤五：将得到的产物E浸泡在酸溶液中进行搅拌，并进行超声处理，之后用洗涤至中性，抽滤得到固体产物F；步骤六：将F干燥，得到生物质基硬碳化合物复合材料。生物质基硬碳化合物复合材料没有包覆有机碳，而且步骤较多，在钠离子电池的首效就比较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于如何提供一种成本低廉，首效高、储钠容量高且可逆性好的生物质硬碳材料。
[0007]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0008]一种生物质复合硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将生物质材料粉碎、同金属盐和有机碳源按一定质量比并加入适量的水混合
均匀，之后经过烘干、粉碎即获得生物质前驱体材料；
[0010]S2、将生物质前驱体材料置于惰性气体下，经过两次煅烧后，冷却即获得生物质硬碳材料；
[0011]S3、将生物质硬碳材料置于酸液中浸泡、烘干后，将材料与硼源、硫源、磷源和氮源中的一种或几种混合均匀，在惰性气体微波下处理后，用去离子洗至PH值不变，干燥后即获得生物质复合硬碳负极材料。
[0012]有益效果：本专利技术选用生物质材料和有机碳源作为原料，绿色环保、来源广泛、成本低廉以及有稳定的供给，可满足大规模工业化生产。本专利技术通过两次高温煅烧后铁、钴、镍元素对生物质前驱体材料进一步的催化，形成有机硬碳包覆生物质硬碳的复合型生物质硬碳材料，生物质硬碳通过表面包覆有机碳的方法抑制生物质碳与电解液副反应，用酸解除去表面残留的金属，进一步在表面掺杂硼、硫、磷和氮元素提升材料本身导电性，使得制备的生物质复合硬碳负极材料具有较高的首效、优越的倍率性能和循环性能。
[0013]优选地，所述步骤S1中生物质材料，包括核桃壳、稻壳、香蕉皮、瓜子壳、松果、棉花、椰壳、海藻、麦秸、花生壳、荷叶、泥炭中的一种或几种。
[0014]优选地，所述步骤S1中金属盐为FeCl3、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3、CoCl2、CoBr2、CoI2、CoCO3、Co(NO3)2、CoSO4、NiSO4、NiCl2、NiBr2、NiI2的一种或多种。
[0015]优选地，所述步骤S1中有机碳源可为葡萄糖、沥青、环氧树脂中的一种或几种。
[0016]优选地，所述步骤S1中生物质材料、有机碳源、金属盐的质量比为(0.60～0.98):(0.01～0.35):(0.01～0.05)。
[0017]优选地，所述步骤S1中烘干温度为80～100℃，时间为48h。
[0018]优选地，所述步骤S2中惰性气体包括氮气、氩气中的一种或几种。
[0019]优选地，所述两次煅烧为先在200～400℃，煅烧2～4h，后升温至1000～1600℃，
[0020]煅烧8～12h。
[0021]优选地，所述步骤S3中酸液为盐酸或者硫酸，浓度为1～6mol/L，浸泡时间为1～2h。
[0022]优选地，所述步骤S3中在惰性气体500～2000W微波处理5～15min。
[0023]优选地，所述步骤S3中硼源包括氧化硼、硼酸中的一种或几种，硫源包括硫脲、硫酸镁中的一种或几种，磷源包括磷酸，所述氮源包括硝酸、尿素和硝酸铵中的一种或几种。
[0024]优选地，所述步骤S3中材料与硼源、硫源、磷源和氮源中的混合物质的质量比为1:(0.2～1)。
[0025]本专利技术还提供一种上述制备方法得到的生物质复合硬碳负极材料。
[0026]本专利技术还提供一种上述制备方法得到的生物质复合硬碳负极材料在钠离子电池负极材料的应用。
[0027]本专利技术的优点在于：本专利技术选用生物质材料和有机碳源作为原料，绿色环保、来源广泛、成本低廉以及有稳定的供给，可满足大规模工业化生产。本专利技术通过两次高温煅烧后铁、钴、镍元素对生物质前驱体材料进一步的催化，形成有机硬碳包覆生物质硬碳的复合型生物质硬碳材料，生物质硬碳通过表面包覆有机碳的方法抑制生物质碳与电解液副反应，用酸解除去表面残留的金属，进一步在表面掺杂硼、硫、磷和氮元素提升其导电性，制备的生物质复合硬碳负极材料首效高，且可逆性容量高，倍率性能优。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例1中制备的生物质复合硬碳负极材料的XRD图；
[0029]图2是本专利技术实施例1中制备的生物质复合硬碳负极材料的SEM图；
[0030]图3是本专利技术实施例1中制备的生物质复合硬碳负极材料的TEM图；
[0031]图4是本专利技术实施例1中制备得到生物质复合硬碳负极材料所制备的钠离子电池的首次充放电曲线图。
具体实施方式
[0032]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质复合硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将生物质材料粉碎、同金属盐和有机碳源按一定质量比并加入适量的水混合均匀，之后经过烘干、粉碎即获得生物质前驱体材料；S2、将生物质前驱体材料转入惰性气体下，经过两次煅烧后、冷却后即获得生物质硬碳材料；S3、将生物质硬碳材料置于酸液中浸泡、烘干后，将材料与硼源、硫源、磷源和氮源中的一种或几种混合均匀，在惰性气体下处理后，用去离子洗至PH值不变，干燥后即获得生物质复合硬碳负极材料。2.根据权利要求1所述的生物质复合硬碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中生物质材料，包括核桃壳、稻壳、香蕉皮、瓜子壳、松果、棉花、椰壳、海藻、麦秸、花生壳、荷叶、泥炭中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的生物质复合硬碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中金属盐可为FeCl3、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3、CoCl2、CoBr2、CoI2、CoCO3、Co(NO3)2、CoSO4、NiSO4、NiCl2、NiBr2、NiI2的一种或多种。4.根据权利要求1所述的生物质复合硬碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中有机碳源可为葡萄糖、沥青、环氧树脂中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的生物质复合硬碳负极材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金华，郑刚，鲁劲华，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：