一种表面石墨化的富氧硬碳及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电池电极极片技术领域，具体公开一种表面石墨化的富氧硬碳及其制备方法和应用

【技术实现步骤摘要】
一种表面石墨化的富氧硬碳及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池电极极片
，具体公开一种表面石墨化的富氧硬碳及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]硬碳材料因具有合适的层间距离
、
丰富的石墨微晶域等特点，且成本较低，被广泛用作钠离子电池负极的主体材料
。
硬碳材料目前较为公认的储钠机制为“吸附
‑
嵌入
‑
孔填充”，“吸附”主要发生在高电压区域
(
＞
0.1V)
，体现为斜坡容量；“嵌入”和“孔填充”则集中在低电压区域
(
＜
0.1V)
，体现为平台容量
。
前期的报道已经证明，提高斜坡容量不仅可以提高硬碳负极材料的总容量，而且还可以加速钠离子的存储与释放，从而有利于改善全电池的功率密度
。
[0003]现有技术中，通常是通过向硬碳基体中引入
C
＝
O
来提升其斜坡容量的，这是因为
C
＝
O
能够进行可逆的断裂与重构来吸附钠离子能够进行可逆的断裂与重构来吸附钠离子然而大量引入的
C
＝
O
会降低硬碳材料整体的石墨化程度，进而诱导不可逆性位点的形成
。
这些不可逆位点的存在会在首次充放电过程中捕获大量的钠离子，容易降低硬碳负极材料的初始库伦效率
(ICE)。
因此，如何在实现硬碳负极材料高斜坡容量的同时，维持较高的初始库伦效率，具有十分重要的意义
。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种表面石墨化的富氧硬碳及其制备方法和应用，将本专利技术提供的表面石墨化的富氧硬碳应用于钠离子电池电极片，可以同时获得较高的容量和初始库伦效率
。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：
[0006]一种表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤
a
，将生物质碳源破碎，酸浸，得预处理碳源；
[0008]步骤
b
，在
CO2气氛下，将所述预处理碳源进行碳化处理，冷却，得硬碳材料；
[0009]步骤
c
，将所述硬碳材料进行湿法球磨，压片，得硬碳薄片；
[0010]步骤
d
，将所述硬碳薄片置于两个石墨板之间，惰性气氛下，以
20
～
30℃/min
的速率升温至
1000
～
1200℃
进行微波烧结，得表面石墨化的富氧硬碳
。
[0011]相对于现有技术，本专利技术提供的表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，先对生物质碳源进行预处理，去除生物质碳源表面以及内部的杂质，提高生物质碳源的纯度；随后利用
CO2气体辅助的热解碳化过程，在硬碳基体中引入丰富的
C
＝
O
基团，以提升其斜坡容量，得硬碳材料
(HC)
；湿法球磨有助于后续压制过程中形成薄片；最后基于石墨板的形核作用
(
石墨板为硬碳表面的结构重排提供了形核中心
)
以及微波烧结的快速升温在硬碳材料的表面发生了
sp3组分重排，为有序结构的长大提供驱动力，从而在表面形成了石墨化结构，同时，保留了硬碳材料内部的
C
＝
O
基团
。
本专利技术制备得到的表面石墨化的富氧硬碳中，
C
＝
O
基团
提高了硬碳材料对钠离子的吸附能力，增加了斜坡容量；而表面石墨化区域抑制了内部活性表面与电解液的直接接触，减少了不可逆副反应的发生，从而提高了初始库伦效率
。
[0012]本专利技术提供的表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，操作简单易行，具有重大的产业化应用价值
。
[0013]优选的，步骤
a
中，所述生物质碳源为杉木
、
松木
、
樟木或杨木中的一种以上
。
[0014]优选的，步骤
a
的具体步骤包括：
[0015]沿所述生物质碳源的生长方向进行破碎，得碳源木块；
[0016]将所述碳源木块放入稀酸溶液中进行浸渍，水洗，干燥，粉碎，得所述预处理碳源
。
[0017]示例的，步骤
a
中，所述碳源木块的大小为
1cm
×
1cm。
[0018]优选的，步骤
a
中，所述稀酸溶液为
5wt
％～
7wt
％的
H2SO4、HCl
或
HNO3的水溶液
。
[0019]优选的，步骤
a
中，所述浸渍的温度为
15
～
30℃
，时间为
5.5
～
7h。
[0020]本专利技术对所述稀酸溶液的用量没有要求，能够浸没所述碳源木块即可
。
本专利技术通过酸浸渍可以去除碳源木块表面以及内部的杂质，包括可溶性有机物以及一些微量金属元素，如
Ga、Fe
和
Mg
等，从而提高生物质碳源的纯度
。
[0021]优选的，步骤
a
中，所述干燥的温度为
70
～
90℃
，时间为
10
～
14h。
[0022]示例的，步骤
a
中，所述预处理碳源的粒径为
400
～
600
μ
m。
[0023]优选的，步骤
b
中，所述碳化处理采用程序升温的方式升温至
700
～
900℃
，升温速率为4～
6℃/min。
[0024]优选的，步骤
b
中，所述碳化处理的保温时间为
4.5
～
6h。
[0025]优选的，步骤
c
中，所述湿法球磨采用的溶剂为酒精，所述硬碳材料和酒精的质量比为
(4
～
6):1。
[0026]本专利技术对湿法球磨的转速和时间没有要求，只要保证酒精把硬碳材料润湿就行
。
[0027]优选的，步骤
c
中，所述压片采用的压力为4～
6MPa。
[0028]在该压力范围下，可以自然形成一定厚度的硬碳薄片
。
[0029]优选的，步骤
d
中，所述惰性气氛为氩气气氛
。
[0030]优选的，步骤
d
中，所述微波烧结的保温时间为1～
2h。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
a
，将生物质碳源破碎，酸浸，得预处理碳源；步骤
b
，在
CO2气氛下，将所述预处理碳源进行碳化处理，冷却，得硬碳材料；步骤
c
，将所述硬碳材料进行湿法球磨，压片，得硬碳薄片；步骤
d
，将所述硬碳薄片置于两个石墨板之间，惰性气氛下，以
20
～
30℃/min
的速率升温至
1000
～
1200℃
进行微波烧结，得表面石墨化的富氧硬碳
。2.
如权利要求1所述的表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，其特征在于，步骤
a
中，所述生物质碳源为杉木
、
松木
、
樟木或杨木中的一种以上
。3.
如权利要求1所述的表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，其特征在于，步骤
b
中，所述碳化处理采用程序升温的方式升温至
700
～
900℃
，升温速率为4～
6℃/min
；和
/
或步骤
b
中，所述碳化处理的保温时间为
4.5
～
6h。4.
如权利要求1所述的表面石墨化的富氧硬碳的制备方法，其特征在于，步骤
c
中，所述湿法球磨采用的溶剂为酒精，所述硬碳材料和酒精的质量比为
(4
～
6):1
；和
/
或步骤
c
中，所述压片采用的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，袁飞，李昭进，王秋君，张迪，孙渠江，孙会兰，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：