一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法及其产品和应用技术

本申请提供了一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法及其产品和应用，所述方法包括以下步骤：(1)将纤维类生物质置于惰性气氛中在250

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法及其产品和应用


[0001]本申请涉及钠离子电池材料领域，例如一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]随着锂离子电池的广泛使用，对于锂资源的需求越来越大，但地球上锂资源有限，造就了现在锂资源短缺的现象，使得相关的电化学体系中的二次电池体系几乎无法适合用于大规模储能应用，因此急需开发下一代综合性能优异的储能电池体系。
[0003]新一代的储能电池体系需要具备资源丰富、价格低廉、环境友好以及电化学性能与锂相近等特性。钠与锂属于同族元素，和锂具有相似的物化性质，并且资源丰富对环境友好，同时价格低廉，且钠离子具有更加稳定的电化学性能和安全性能。但钠离子的离子半径(r＝0.113nm)较锂离子的(r＝0.076nm)至少大35％以上，使得钠离子在刚性晶格中相对稳定，在规整的石墨结构、高温石墨化的碳中间相微球几乎没有嵌钠容量，而硬炭嵌钠的不可逆容量可以通过结构优化，降低比表面积来实现提高钠离子电池首次库仑效率，可解决钠离子无法嵌入石墨层间的问题。
[0004]CN114709408A提供了一种钠离子硬碳负极材料的制备方法，1)将沥青和高分子材料混合；2)将混合物放入反应釜中，在惰性气氛或空气气氛中于300
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500℃温度下反应0.5
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15h，冷却后即得预处理样品；3)将步骤2)所制备样品在惰性气氛下升温至900
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1700℃，并保温0.5h
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15h，冷却后即得到合成产物。本专利技术的优点是：制备的合成材料收率在65％
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80％，方法简单，成本低廉，易于商业化应用。
[0005]CN111847418A提供了一种钠离子电池负极材料用生物质硬碳的制备方法，包括如下步骤：提供原材料龙眼壳，通过热水及酸性溶液浸泡、烘干得到前驱体；通入保护气体，对所述前驱体进行预热处理，冷却后进行研磨得到中间品；将所述中间品进行碳化处理，冷却后即得到生物质硬碳。本专利技术利用生物废料龙眼皮为原材料，对环境友好，成本低；采用碳化处理，使得到的生物质硬碳形成部分石墨化的碳结构，有利于钠离子储存，提高比容量，还具有优异的低温性能。
[0006]而上述制备硬炭的方法均过于繁琐，且制备出来的材料性能一般，因此需要开发一种制备过程简单，且最终得到的材料更有利钠离子嵌入的方法来满足应用需求。

技术实现思路

[0007]以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
[0008]针对相关技术的不足，本申请的目的在于提供一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法及其产品和应用。
[0009]为达到此目的，本申请采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本申请实施例提供了一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0011](1)将纤维类生物质置于惰性气氛中在250
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350℃(例如可以是260℃、270℃、280℃、290℃、300℃、310℃、320℃、330℃或340℃等)下进行低温烧结处理，得到前驱体，并调整前驱体粒度；
[0012](2)将步骤(1)得到的前驱体置于惰性气氛中升温后在700
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1000℃(例如可以是750℃、800℃、850℃、900℃或950℃等)下进行中温烧结处理；
[0013](3)将步骤(2)得到的前驱体在催化气体中升温后进行碳化处理，得到所述硬碳负极材料。
[0014]本申请实施例的方法采用低温烧结、中温烧结以及催化碳化法相结合，可使处理后的纤维类生物质材料内部留下丰富的孔隙结构，进而使材料更有利钠离子的嵌入/脱出。本申请实施例通过低温烧结可使纤维类生物质中的半纤维素和部分纤维素在热解过程分解，进而在材料内部留下孔隙结构；中温烧结时使材料中的结构快速重排，使大量的孔隙和缺陷进一步暴露出来；催化碳化处理时由于催化气体的存在，杂质元素会被去除，由于温度的升高以及材料本身的应力，使得材料不断回缩，达到“自我修复”效果，“修复”表面的孔隙，而不影响内部孔隙结构的形成。且本申请实施例的方法制备过程简单，不产生废水，适用性十分广泛，因而对于硬碳负极后续在工业上应用具有现实意义。
[0015]在一个实施例中，步骤(1)所述纤维类生物质包括白杨木、松木、荔枝木、椰壳、竹、棉花中的任意一种或至少两种的组合。
[0016]从原料成分上讲，硬碳的主要碳源是木质素以及部分纤维素，而本申请实施例选择原料为纤维类生物质，是因为纤维类生物质是由半纤维素、纤维素、木质素以及各类杂质组成，其中半纤维素和部分纤维素在热解过程中会分解成焦油、水以及有机气体挥发分，进而会在材料内部留下更丰富的孔隙结构，进而更有利于钠离子的嵌入/脱出。
[0017]在一个实施例中，步骤(1)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。
[0018]在一个实施例中，步骤(1)所述低温烧结处理时间为15
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48h，例如可以是16h、18h、20h、25h、30h、35h、40h或45h等。
[0019]在一个实施例中，步骤(1)所述低温烧结处理过程中氧浓度低于200ppm。
[0020]在一个实施例中，将步骤(1)所述得到的前驱体进行冷却后调整粒度，所述冷却至温度为50℃以下，例如可以是20℃、25℃、30℃、35℃、40℃或45℃等。
[0021]在一个实施例中，步骤(1)所述调整前驱体粒度至4
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10μm，例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm或9μm等。
[0022]在一个实施例中，步骤(1)所述调整前驱体粒度的方法为将前驱体进行三级破碎。
[0023]在一个实施例中，所述三级破碎的具体步骤为先将前驱体破碎至厘米级，再破碎至毫米级，最终破碎至微米级。
[0024]在一个实施例中，步骤(2)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。
[0025]在一个实施例中，步骤(2)所述升温速率为20
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50℃/min，例如可以是25℃/min、30℃/min、35℃/min、40℃/min或45℃/min等。
[0026]本申请实施例中所述中温处理时升温速率为20
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50℃/min，通过快速升温可使材料的内部结构快速重排，由于温度变化较快，分子量运动越来越快，使得结构间的连接逐渐凌乱，进而会使大量的孔隙和缺陷暴露出来。
[0027]在一个实施例中，所述中温烧结处理时间为6
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12h，例如可以是7h、8h、9h、10h或11h等。
[0028]在一个实施例中，所述中温烧结处理过程中氧浓度低于200ppm。
[0029]在一个实施例中，步骤(3)所述催化气体包括氯气。
[0030]在一个实施例中，步骤(3)所述升温速率为1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将纤维类生物质置于惰性气氛中在250
‑
350℃下进行低温烧结处理，得到前驱体，并调整前驱体粒度；(2)将步骤(1)得到的前驱体置于惰性气氛中升温后在700
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1000℃下进行中温烧结处理；(3)将步骤(2)得到的前驱体在催化气体中升温后进行碳化处理，得到所述硬碳负极材料。2.如权利要求1所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(1)所述纤维类生物质包括白杨木、松木、荔枝木、椰壳、竹、棉花中的任意一种或至少两种的组合。3.如权利要求1或2所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(1)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。4.如权利要求1
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3中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(1)所述低温烧结处理时间为15
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48h。5.如权利要求1
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4中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(1)所述低温烧结处理过程中氧浓度低于200ppm。6.如权利要求1
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5中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，将步骤(1)所述得到的前驱体进行冷却后调整粒度，所述冷却至温度为50℃以下。7.如权利要求1
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6中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(1)所述调整前驱体粒度至4
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10μm。8.如权利要求1
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7中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(1)所述调整前驱体粒度的方法为将前驱体进行三级破碎。9.如权利要求1
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8中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(2)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。10.如权利要求1
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9中任一项所述的利用纤维类生物质制备硬碳负极材料的方法，其中，步骤(2)所述升温速率为20
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50℃/min。11.如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑爽，李长东，阮丁山，毛林林，张苗齐，
申请(专利权)人：湖南邦普循环科技有限公司，
类型：发明
国别省市：