【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钠离子电池，具体涉及一种氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料及其制备方法、应用。
技术介绍
1、随着可再生能源利用比重的逐年增加，因其间歇性、波动性的特点，开发用于稳压调制、二次分配的大规模高效能量储存器件迫在眉睫。锂离子电池是目前主流产品，但锂资源的储量有限、价格高昂、分布不均，而且锂离子电池由高活性的电极材料和有机电解液组成，易发生热失控，因而安全性较低，迫切寻求更安全、更廉价的储能技术来满足市场大规模储能需求。钠资源储量丰富，钠离子电池有望取代锂离子电池而成为大规模储能技术的解决方案。作为钠离子电池重要组成部分的电池负极决定着电池的容量及电压，目前钠电负极材料根据反应类型可以分为四类：有机类、合金类、转化类和嵌入类。
2、以硬碳为代表的碳负极材料是主要研究方向之一，目前，硬碳主要以生物质、高分子聚合物等为原料经高温碳化制得，普遍存在碳收益低、工艺复杂、成本过高等问题，限制了硬碳产业进一步发展，以自然界高碳丰度、高储量的煤碳作为原料发展低成本、高性能的钠离子电极材料是重要的发展方向。然而，直接碳化煤炭制成的硬碳本质上无序的微结构通常会导致导电性差，从而导致低速率能力。可通过合理设计开放的纳米孔、短程碳结构包围的封闭孔隙、高比表面积的硬碳，通过快速反应动力学来解决这些问题。不幸的是，硬碳本质上无序的微结构仍然存在保留。通过催化剂辅助合成调节硬碳的石墨化程度可以提高其导电性。这种独特的由石墨畴和无序结构组成的硬碳能够提高电化学性能和电荷存储能力。此外，在硬碳中掺杂杂原子(如n、o和f)也可以通过引入活性位点
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料及其制备方法、应用以解决
技术介绍
中所提到的问题；本专利技术通过氟化盐除杂、混合碳源、高温烧结等步骤制备得到硬碳材料，利用尿素作为氮源及催化剂，所制得硬碳材料成本低廉、工艺简单并且石墨化得以优化，具有介孔结构、氮掺杂和均匀石墨畴的优点，保证了快速的动力学和电子传递，进而得到一种首次充放电库伦效率高，可逆容量大，倍率性能优良成本更低的钠离子电池。
2、为实现上述问题，本专利技术具体采用如下技术方案：
3、一种氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：
4、s1、球磨筛分：将原煤球磨和筛分，得到粒径小于74μm煤粉；
5、s2、去除灰分：将煤粉与盐酸、氟化盐混合搅拌6～12h后用水清洗2～5次，干燥得到去除灰分煤粉；
6、s3、煤粉与氮源混合：将去除灰分煤粉和氮源一起置于球磨罐中球磨混合得到固相混合物；
7、s4、高温烧结：将固相混合物置于管式炉中在保护气氛下进行高温烧结得到氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料。
8、优选地，s1中所述原煤为无烟煤。
9、优选地，s2中所述煤粉与盐酸、氟化盐的比例为1g：(20～80)ml：(0.5～2)g，进一步优选为1g：50ml：1g。
10、优选地，s2中所述盐酸浓度为5mol/l；所述氟化盐为氟化锂。
11、优选地，s3中所述氮源包括尿素、三聚氰胺和苯胺中的一种或多种；所述煤粉与氮源的质量比为1:(0.1～1)。
12、优选地，s4中所述高温烧结的工艺为：以1～5℃/min的升温速率升温至1200～1400℃，保温时间为1～3h；所述保护气氛为n2。
13、优选地，s2中煤粉的处理工艺为脱灰处理，以除去煤粉内部杂质，提升纯度。
14、本专利技术进一步保护一种利用上述方法所制得的氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料。
15、本专利技术进一步保护上述氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料在制备钠离子电池负极上的应用。
16、与现有技术相比，本专利技术提供了氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料及其制备方法、应用，具备以下有益效果：
17、本专利技术提供的氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料的制备方法与现有技术相比工艺更简单、综合成本更低廉，通过煤粉、氟化盐以及盐酸混合的去灰分方式，使得原煤的除杂方式更加简单，成本更低；通过尿素催化高温烧结的方式，最终制备的煤基硬碳材料石墨化得以优化，并且具有介孔结构、氮掺杂和均匀石墨畴的优点，保证了快速的动力学和电子传递。利用本方法制备的煤基硬碳材料用于钠离子电池负极，在电流密度为30mag-1时提供了大于290ma h g-1的高可逆容量，大于85％的首次充放电效率，并且具有强大的速率能力和较长的循环寿命，这表明它是一种很有前景的sib阳极。
18、综上所述，本专利技术提出的用于钠离子电池负极的氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料的制备方法简单易操作，综合成本低廉，易放大生产，很好满足进行工业化条件。
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1.氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述煤粉与盐酸、氟化盐的比例为1g：(20～80)ml：(0.5～2)g。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S2中所述煤粉与盐酸、氟化盐的比例为1g：50ml：1g。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述盐酸的浓度为4～6mol/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中所述氟化盐为氟化锂。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中所述氮源包括尿素、三聚氰胺和苯胺中的一种或多种；所述煤粉与氮源的质量比为1:(0.1～1)。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，S4中所述高温烧结的处理工艺为：以1～5℃/min的升温速率升温至1200～1400℃，保温时间为1～3h。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述方法所制得的氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料。
9.如权利要求8所述氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料在制备钠离子电
...【技术特征摘要】
1.氮掺杂和石墨化优化的煤基硬碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述煤粉与盐酸、氟化盐的比例为1g：(20～80)ml：(0.5～2)g。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，s2中所述煤粉与盐酸、氟化盐的比例为1g：50ml：1g。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述盐酸的浓度为4～6mol/l。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述氟化盐为氟化锂。
【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓辉，王东，莫德杰，靳心惠，杨海，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：
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