一种硬碳复合负极材料制造技术

本发明专利技术提供一种硬碳复合负极材料

【技术实现步骤摘要】
一种硬碳复合负极材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池用负极材料
，特别是涉及一种硬碳复合负极材料
、
制备方法及其应用
。

技术介绍

[0002]随着储能需求的日益增长，低成本储能电池技术的需求愈发紧迫，对锂资源的消耗不断增加，锂电池的社会经济价值越发升高，而且锂资源的稀缺及分布不均的问题逐渐凸显
。
由于钠资源成本较低且丰富，钠离子电池研究在近十年内突飞猛进，在大规模储能系统中具有广阔的前景
。
阻碍钠离子电池实现商业化的主要因素之一是缺乏高性能的负极材料
。
锂离子电池的负极材料通常采用石墨，但由于热力学限制，石墨对钠离子的存储性能较差，无法直接在钠离子电池里面应用
。
因此，如何获得比石墨更高容量的非石墨碳材料引起了广泛关注，在所有这些非石墨碳材料中，具有类石墨纳米域和纳米孔的硬炭材料因其低电位平台
、
低成本和高比容量而被认为是钠离子电池最有希望的负极材料之一
。
[0003]目前用于制备硬炭的原材料有生物质
、
沥青
、
糖类
、
树脂类
、
有机高分子聚合物等，其中生物质由于来源广泛
、
绿色环保
、
成本低廉，是制备硬炭负极材料的重要前驱体
。
但是现有的以生物质为前驱体的硬炭负极材料生物质硬碳比表面积较高，表面和内部缺陷较多且存在多级孔结构，导致较低的首次库伦效率和较差的循环性和倍率性能，其严重阻碍了生物质硬炭负极材料在钠离子电池的工业产业化中的应用，因此，如何得到一种高首效
、
循环寿命长和高倍率的的硬炭负极材料是离子电池领域亟需解决的问题
。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种硬碳复合负极材料，用于解决现有技术中生物质硬碳比表面积高
、
表面和内部的缺陷多，导致电化学性能较差的问题，同时，本专利技术还将提供一种硬碳复合负极材料的制备方法；此外，本专利技术还将提供一种硬碳复合负极材料的应用
。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术的第一方面，提供一种硬碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、
将生物质原材料进行预炭化处理，冷却至室温后，粉碎
、
酸纯化，得到生物质前驱体颗粒；
S2、
将过渡族金属盐溶于无水乙醇，再将其加入到有机碳源中，搅拌均匀后进行固化，然后去除无水乙醇，粉碎，得到改性有机碳；
S3、
将生物质前驱体颗粒和改性有机碳混合均匀后，装入模具中，压制成块体；
S4、
将步骤
S3
得到的块体进行炭化处理，冷却后进行破碎
、
筛分
、
酸纯化，得到硬碳复合负极材料
。
[0006]在步骤
S1
中，所述生物质原材料包括椰壳
、
淀粉
、
花生壳
、
柚子皮
、
竹子中的一种或多种
。
本专利技术选择生物质原材料作为硬碳的原料，主要是因为生物质原材料的来源广泛，成
本低，易于处理
。
[0007]在步骤
S1
中，所述预炭化处理是以
1~2℃/min
的升温速率，升温至
600~800℃
，保温
1~5h。
优选的，升温速率为
1℃/min。
其中，所述预炭化处理是在惰性气氛的保护下进行，所述惰性气氛包括氮气
、
氩气等中的至少一种
。
所述预炭化处理的目的是分解生物质原材料中低沸点有机物，便于后续高温炭化过程中形成具有高度无序
、
碳层间距大
、
富含微孔
、
且比表面积小的硬碳
。
[0008]在步骤
S1
中，所述酸纯化是将粉碎后的颗粒浸泡在酸溶液中进行纯化，纯化后进行过滤
、
洗涤
、
脱水和烘干处理
。
通过酸纯化，可以有效去除预炭化后生物质前驱体颗粒中的杂质
。
其中，所述酸溶液包括硝酸溶液
、
盐酸溶液
、
硫酸溶液中的一种或者多种；所述酸溶液的
pH
为3～5；所述纯化的时间为5～
10h。
[0009]在步骤
S1
中，得到的生物质前驱体颗粒的平均粒径
D
50
为5～8μ
m。
[0010]在步骤
S2
中，所述过渡族金属盐包括过渡族金属硝酸盐，所述过渡族金属硝酸盐包括硝酸铁
、
硝酸镍
、
硝酸钴中的一种或多种
。
[0011]在步骤
S2
中，所述有机碳源包括酚醛树脂
、
环氧树脂
、
聚酰胺树脂等中的一种或多种
。
[0012]在步骤
S2
中，所述过渡族金属盐与所述有机碳源的质量比为（
4~10
）
:100
，例如
4:100、5:100、6:100、8:100、10:100
等
。
其中，每毫升无水乙醇中溶入
86
～
145mg
过渡族金属盐
。
[0013]在步骤
S2
中，所述固化的温度为
80
～
150℃
，例如
80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃
等；所述固化的时间为8～
24 h
，例如
8h、10h、12h、16h、18h、20h、24h
等
。
[0014]在步骤
S3
中，所述改性有机碳与所述生物质前驱体颗粒的质量比为（
10~20
）
:100
，例如
10:100、12:100、14:100、16:100、18:100、20:100
等
。
[0015]在步骤
S4
中，所述炭化处理是以
1~2℃/min
的升温速率，升温至
600~800℃
，保温
1~5
小时；然后再以
4~6℃/min
的升温速率，升温至
1000~1500℃
，保温
2~6
小时
。
优选的，所述炭化处理是以
1℃/min
的升温速率，升温至...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种硬碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将生物质原材料进行预炭化处理，冷却至室温后，粉碎
、
酸纯化，得到生物质前驱体颗粒；
S2、
将过渡族金属盐溶于无水乙醇，再将其加入到有机碳源中，搅拌均匀后进行固化，然后去除无水乙醇，粉碎，得到改性有机碳；
S3、
将生物质前驱体颗粒和改性有机碳混合均匀后，装入模具中，压制成块体；
S4、
将步骤
S3
得到的块体进行炭化处理，冷却后进行破碎
、
筛分
、
酸纯化，得到硬碳复合负极材料
。2.
根据权利要求1所述的硬碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤
S1
中，所述预炭化处理是以
1~2℃/min
的升温速率，升温至
600~800℃
，保温
1~5h。3.
根据权利要求1所述的硬碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤
S2
中，所述过渡族金属盐包括过渡族金属硝酸盐，所述过渡族金属硝酸盐包括硝酸铁
、
硝酸镍
、
硝酸钴中的一种或多种
。4.
根据权利要求3所述的硬碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤
S2
中，每毫升无水乙醇中溶入
86
～
145mg
过渡族金属盐；所述过渡族金属盐与所述有机碳源的质量比为（
4~10
）
:100。5.
根据权利要求1所述的硬碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤
S3
中，所述改性有机碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宪，刘正，李平，林毛，
申请(专利权)人：广东容钠新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：