一种钠离子电池硬碳材料的制备方法及其应用技术

一种钠离子电池硬碳材料的制备方法及其应用，涉及钠离子电池负极材料，采用生物质基材料作为原料，先通过钠碱活化改性，再通过高温碳化实现部分石墨化，即制备出钠离子电池负极硬碳材料，制备方法工艺简单，构思新颖，设计巧妙，应用于钠离子电池时电化学性能好，使用寿命长，效果显著。效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池硬碳材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于新材料
，尤其钠离子电池负极材料，具体是一种钠离子电池硬碳材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]目前最为常见的二次电池（充电电池）一般为锂离子电池，其采用含有锂元素的材料作为电极，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，随着超过50年的开发和应用，锂离子电池技术已经相当成熟，各项认证和标准也已经非常完善。在以前技术的约束下，同族的钠原子电池由于钠离子质量是锂离子的三倍、钠离子半径是锂离子的1.34倍，电池容量相对较低等原因，钠电池一直未能得到充分的技术开发。但是，毕竟地球锂元素资源储量很少，而钠元素资源是锂的440倍，且钠元素资源分布广，提炼简单，钠离子电池与锂离子电池具有相近的电能和化学能转化机制，具有广阔的应用前景。
[0003]经过进一步探索钠离子电池，人们发现钠离子虽然难以嵌入传统锂离子电池负极材料石墨，但可以嵌入无定形碳材料，目前市场上软碳和硬碳是比较常见的两种无定型碳材料，其中硬碳材料因其成本低廉、绿色环保，且储钠电位低而被认为是较为理想的钠离子电池负极材料，硬碳主要由长程无序结构组成，机械硬度高，短程有部分随机取向的类石墨微晶区，微孔结构能够有效的吸附钠离子，因此硬碳具有很高的可逆比容量、快速充放电性能好、与PC（Propylene carbonat，碳酸丙烯酯）基电解液相容性好、成本低廉等优点，成为钠离子电池优秀的电极材料。
[0004]硬碳材料前驱体来源主要包括生物质基类、高分子类、煤基类材料，生物质基材料由于其来源丰富性、低成本、绿色可持续性优势，在众多前驱体材料中脱颖而出，是当前硬碳负极材料制备的首选。然而较差的倍率性能和较低的首次库伦效率仍是硬碳在钠离子电池商业应用需要克服的关键因素，因此开发具有高首次库伦效率、高倍率性能和优异循环寿命的负极材料是钠离子电池走向应用的关键。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术提出了一种钠离子电池硬碳材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用。
[0006]本专利技术要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：一种钠离子电池硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：S1预处理：将生物质基材料清洗后冷冻干燥处理，再粉碎后以NaOH和Na2CO3混合液浸泡预处理；S2氧化：将经过预处理的生物质基材料在空气气氛下进行氧化处理，得到氧化碳源；S3活化：向上步骤得到的氧化碳源材料添加NaOH和Na2CO3粉末，在氮气保护下对进行活化改性；
S4碳化：将上步骤得到的活化改性材料进行粉碎后酸洗，在氩气保护下进行碳化，碳化结束后冷却至室温即得到产品。
[0007]在本专利技术中，步骤S1预处理的生物质基材料为农作物茎秆、植物落叶、果壳中的一种或几种的混合物。
[0008]在本专利技术中，步骤S1中对生物质基材料的清洗具体为先用清水清洗2遍后，再用0.5%
‑
3.5%质量浓度的NaHCO3去离子水溶液洗涤，清洗完成后控水至原材料无明显水滴出现。
[0009]在本专利技术中，步骤S1中的浸泡处理采用5%
‑
10%的NaOH去离子水溶液和5%
‑
10%的Na2CO3去离子水溶液以1:1的混合溶液。
[0010]在本专利技术中，步骤S2的氧化处理采用带有多孔盖子的石墨坩埚作为处理容器，氧化处理时间2
‑
5h，温度200
‑
400℃。
[0011]在本专利技术中，步骤S3的活化处理采用管式炉作为处理容器，处理时间4
‑
8h，温度600
‑
950℃。
[0012]在本专利技术中，步骤S4的酸洗采用1
‑
3%体积浓度的草酸水溶液。
[0013]在本专利技术中，步骤S4的碳化处理采用管式炉作为处理容器，处理时间5
‑
8h，温度1200
‑
1800℃。
[0014]在本专利技术中，所述步骤S1中对材料的冷冻干燥和粉碎处理采用真空冷冻干燥处理12
‑
24h，结束后再进行粉碎，步骤S4中对材料的粉碎为直接粉碎，粉碎平均粒度D50≤50μm。
[0015]在本专利技术中，上述制备钠离子电池硬碳材料的方法制得的钠离子电池硬碳材料应用于钠离子电池。
[0016]本专利技术采用来源丰富和成本低廉的绿色生物质作为原材料，先通过钠碱活化改性，再通过高温碳化实现部分石墨化，即制备出钠离子电池负极硬碳材料，活化改性和高温碳化所形成的可逆钠储存活性点位和大比表面积能够增大电极材料和电解液的接触面积，使材料中的钠离子活性中心充分暴露出来，提高钠离子反应动力学，缩短储钠进程，提高钠离子扩散速率，实现电化学性能的提升。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具备以下优点：本专利技术采用生物质基材料作为原材料，来源丰富，成本低廉，具有绿色可持续性优势，能够有效的降低最终产品的成本；通过本专利技术的方法制得的硬碳材料作为钠离子电池的负极材料时与钠离子配合效果好、与电解液相容性好、电化学性能高；通过本专利技术的方法制得的硬碳材料机械强度高，充放电性能高，使用寿命长；本专利技术的制备方法未引入除钠之外的其它元素，制得的硬碳材料纯度高，性能好。
[0018]因此，本专利技术的制备方法工艺简单，构思新颖，设计巧妙，应用于钠离子电池时电化学性能好，使用寿命长，效果显著。
具体实施方式
[0019]以下结合具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。
[0020]一种钠离子电池硬碳材料的制备方法，具体采用以下方案：
S1：选择适当的农作物茎秆、植物落叶、果壳等生物质基材料，先用普通水清洗2遍后，再用0.5%～3.5%浓度的NaHCO3去离子水溶液洗涤，控水至原材料无明显水滴出现，开始进行真空冷冻干燥处理12～24小时，结束后再将其粉碎，5%
‑
10%的NaOH去离子水溶液和5%
‑
10%的Na2CO3去离子水溶液以1:1的混合溶液浸泡预处理；S2：将预处理后的生物质基材料粉末放置在带有多孔盖子的石墨坩埚中，在空气气氛下进行预氧化处理2
‑
5h，温度控制在200
‑
400℃，得到氧化碳源；S3：向上步骤得到的氧化碳源材料添加NaOH和Na2CO3粉末，在氮气保护下，用管式炉在600
‑
950℃温度下对碳材料进行活化改性，活化改性时间控制在4
‑
8h；S4：将活化改性后的碳源再次进行粉碎，控制粉碎平均粒度D50≤50μm，再用1
‑
3%体积浓度的草酸水溶液酸洗后，在氩气气氛保护下，采用管式炉在1200
‑
1800℃进行高温碳化5
‑
8h，碳化结束冷却至室温后即得到产品。
[0021]上述步骤制得的产品硬碳材料应用于钠离子电池的负极材料。
[0022]采用上述步骤制得的硬碳材料作为钠离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池硬碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1预处理：将生物质基材料清洗后冷冻干燥处理，再粉碎后以NaOH和Na2CO3混合液浸泡预处理；S2氧化：将经过预处理的生物质基材料在空气气氛下进行氧化处理，得到氧化碳源；S3活化：向上步骤得到的氧化碳源材料添加NaOH和Na2CO3粉末，在氮气保护下对进行活化改性；S4碳化：将上步骤得到的活化改性材料进行粉碎后酸洗，在氩气保护下进行碳化，碳化结束后冷却至室温即得到产品。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1预处理的生物质基材料为农作物茎秆、植物落叶、果壳中的一种或几种的混合物。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中对生物质基材料的清洗具体为先用清水清洗2遍后，再用0.5%
‑
3.5%质量浓度的NaHCO3去离子水溶液洗涤，清洗完成后控水至原材料无明显水滴出现。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中的浸泡处理采用5%
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10%的NaOH去离子水溶液和5%
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10%的Na2CO3去离子水溶液以1:1的混合溶液。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亚峰，王具备，李中彦，徐家闯，
申请(专利权)人：河南海宏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：