一种生物质基硬碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种生物质基硬碳材料及其制备方法和应用，属于负极材料技术领域。本发明专利技术提供的生物质基硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质原料和掺杂源混合，进行压制成型，得到第一前驱体；将所述第一前驱体依次进行第一烧结和纯化，得到第二前驱体；将所述第二前驱体进行第二烧结，得到生物质基硬碳材料；所述第二烧结的温度为900～1600℃。在本发明专利技术中，通过将生物质原料和掺杂源进行压制成型，在压制成型过程中，生物质原料内部的导管与筛管因挤压受到破坏，有利于掺杂元素的渗入，配合烧结工艺能够实现掺杂源与碳质材料的有效结合，将制得的生物质基硬碳材料作为二次电池负极材料，具有较高的首次可逆容量及首次库伦效率。库伦效率。库伦效率。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基硬碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于负极材料
，具体涉及一种生物质基硬碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硬碳材料由于具有原料储量丰富、低成本的优势，将其作为负极材料具有较好的应用前景；然而硬碳负极在实际应用中也面临着首周库伦效率低、长循环稳定性不足以及倍率性能较差等问题，近年来众多研究者致力于硬碳负极的性能优化研究。
[0003]生物质原料由于来源丰富，成本较低，成为最具有应用前景的碳质原料之一。目前硬碳材料的性能改善方向主要有结构调控、形貌设计、界面构造、电解液优化等，元素掺杂也是提升硬碳性能的方法之一。现有技术中元素掺杂的方式通常是将生物质原料与掺杂源直接搅拌混合，然后再经烧结制备得到含有掺杂元素的生物质基硬碳材料。但是采用该方法掺杂元素难以进行有效掺杂，将该含有掺杂元素的生物质基硬碳材料作为负极材料使用时首次可逆容量以及首次库伦效率均较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种生物质基硬碳材料及其制备方法和应用，采用本专利技术提供的方法能够使掺杂元素进行有效掺杂，制备得到的生物质基硬碳材料作为二次电池负极材料使用时首次可逆容量以及首次库伦效率均较高。
[0005]为了实现本专利技术的目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]一种生物质基硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将生物质原料和掺杂源混合，进行压制成型，得到第一前驱体；
[0008]将所述第一前驱体依次进行第一烧结和纯化，得到第二前驱体；
[0009]将所述第二前驱体进行第二烧结，得到生物质基硬碳材料；所述第二烧结的温度为900～1600℃。
[0010]优选地，所述压制成型的压力为2～10MPa；所述压制成型的时间为1～15s。
[0011]优选地，所述生物质原料包括橄榄壳、夏威夷果壳、杏壳、核桃壳、稻壳、桃壳、油茶壳、开心果壳、松子壳、花生壳、椰壳、枣壳、榛子壳、棉籽壳、李壳、木材、玉米芯、竹子和秸秆中的一种或多种。
[0012]优选地，所述掺杂源包括铵盐、磷酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、尿素、三聚氰胺、红磷、硫磺和硫脲中的一种或多种。
[0013]优选地，所述生物质原料和掺杂源的质量比为1：0.01～0.15。
[0014]优选地，所述第一烧结的温度为350～900℃；所述第一烧结的时间为2～10h。
[0015]优选地，所述纯化包括水洗和/或酸洗。
[0016]优选地，所述第二烧结的保温时间为1～9.5h。
[0017]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的生物质基硬碳材料，包括
碳质材料和掺杂在所述碳质材料表面以及孔道中的掺杂元素，所述生物质基硬碳材料的比表面积为1.5～25m2/g，所述生物质基硬碳材料的002面的层间距为0.36～0.42nm。
[0018]本专利技术还提供了上述技术方案所述生物质基硬碳材料在二次电池负极材料中的应用。
[0019]本专利技术提供了一种生物质基硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质原料和掺杂源混合，进行压制成型，得到第一前驱体；将所述第一前驱体依次进行第一烧结和纯化，得到第二前驱体；将所述第二前驱体进行第二烧结，得到生物质基硬碳材料；所述第二烧结的温度为900～1600℃。在本专利技术中，通过将生物质原料和掺杂源进行压制成型，在压制成型过程中，生物质原料内部的导管与筛管因挤压受到破坏，有利于掺杂元素的渗入，配合烧结工艺能够实现掺杂源与生物质原料的有效结合，将制得的生物质基硬碳材料作为二次电池负极材料，具有较高的首次可逆容量及首次库伦效率。实施例结果表明，本专利技术制备的生物质基硬碳材料作为负极材料，首次可逆容量大于315mAh/g；此外，在离子电池测试体系中，首次库伦效率大于88％。同时本专利技术制备生物质基硬碳材料所使用的原料价格便宜，制备工序和设备成熟，适合大规模生产。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本专利技术实施例1制得的生物质基硬碳材料的EDS分析图；
[0022]图2为本专利技术实施例1制得的生物质基硬碳材料的首次充放电曲线图。
具体实施方式
[0023]本专利技术提供了一种生物质基硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0024]将生物质原料和掺杂源混合，进行压制成型，得到第一前驱体；
[0025]将所述第一前驱体依次进行第一烧结和纯化，得到第二前驱体；
[0026]将所述第二前驱体进行第二烧结，得到生物质基硬碳材料；所述第二烧结的温度为900～1600℃。
[0027]在本专利技术中，若无特殊说明，所用各制备原料均是本领域技术人员熟知的市售商品。
[0028]本专利技术将生物质原料和掺杂源混合，进行压制成型，得到第一前驱体。在本专利技术中，所述生物质原料优选包括橄榄壳、夏威夷果壳、杏壳、核桃壳、稻壳、桃壳、油茶壳、开心果壳、松子壳、花生壳、椰壳、枣壳、榛子壳、棉籽壳、李壳、木材、玉米芯、竹子和秸秆中的一种或多种。
[0029]在本专利技术中，所述掺杂源优选包括铵盐、磷酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、尿素、三聚氰胺、红磷、硫磺和硫脲中的一种或多种。在本专利技术中，所述铵盐优选为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、醋酸铵、草酸铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵、聚磷酸铵和硫酸铵中的一种或多种；所述磷酸盐优选为磷酸钙和/或磷酸镁；所述硫酸盐优选为硫酸钙、硫酸锌
和硫酸镁中的一种或多种；所述亚硫酸盐优选为亚硫酸钠，所述硫代硫酸盐优选为硫代硫酸钠。
[0030]在本专利技术中，所述生物质原料和掺杂源的质量比优选为1：0.01～0.15，更优选为1：0.04～0.1，进一步优选为1：0.05～0.06。
[0031]在本专利技术中，所述压制成型的方式优选为螺旋挤压、机械冲压和液压冲压中的一种或多种。在本专利技术中，所述压制成型的压力优选为2～10MPa，更优选为2.5～5MPa，进一步优选为3.5～4MPa；所述压制成型的时间优选为1～15s，更优选为2～7s，进一步优选为3～5s。本专利技术在压制成型过程中，生物质原料内部的导管与筛管因挤压受到破坏，有利于掺杂元素的渗入。
[0032]本专利技术将生物质原料和掺杂源混合前，优选还包括将生物质原料进行破碎，得到生物质原料颗粒；所述生物质原料颗粒的平均粒径优选≤600μm，更优选为100～500μm，进一步优选为200～300μm。本专利技术对所述破碎的方式没有特殊限定，达到需要的粒径即可。
[0033]本专利技术对生物质原料和掺杂源混合方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
[0034]得到第一前驱体后，本专利技术将所述第一前驱体依次进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质基硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质原料和掺杂源混合，进行压制成型，得到第一前驱体；将所述第一前驱体依次进行第一烧结和纯化，得到第二前驱体；将所述第二前驱体进行第二烧结，得到生物质基硬碳材料；所述第二烧结的温度为900～1600℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型的压力为2～10MPa；所述压制成型的时间为1～15s。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质原料包括橄榄壳、夏威夷果壳、杏壳、核桃壳、稻壳、桃壳、油茶壳、开心果壳、松子壳、花生壳、椰壳、枣壳、榛子壳、棉籽壳、李壳、木材、玉米芯、竹子和秸秆中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂源包括铵盐、磷酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、尿素、三聚氰胺、红磷、硫磺和硫脲...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭桂明，彭天权，胡亮，俞有康，章镇，
申请(专利权)人：赣州立探新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：