一种椰壳基硬碳材料的制备方法、钠离子电池

本发明属于椰壳基硬碳材料，涉及调控椰壳处理过程中材料中氧含量在提高椰壳基硬碳材料电化学性能方面的应用、一种预处理生物质椰壳制备硬碳材料的方法以及钠离子电池，尤其涉及一种椰壳基硬碳材料的制备方法、钠离子电池。

背景技术：

1、锂离子电池因其已成功应用于各种便携式设备和电动汽车中，持续受到了业内的关注和研究，但受到锂资源的限制，锂离子电池的成本逐年升高，必须发展其他可充电电池来代替锂离子电池。与锂同主族的钠离子因其相似的特征，丰富的地壳储量，低廉价格引起了人们广泛的关注，开发高容量，高稳定性、高首效负极材料是一个不可避免的问题，硬碳负极因其高容量高首效高稳定性成为钠离子电池负极商业化最有竞争力的材料。生物质硬碳前驱体成本低廉，来源广泛，无污染引起了研究者的关注，研究者们提出了多种前驱体，包括玉米芯，虾壳，香樟木，坚果壳，柚子皮等，但较低的比容量和低首效始终限制着硬碳的发展。

2、因此，如何得到一种适宜的方式，解决生物质硬碳前驱体存在的上述问题，进一步拓展生物质硬碳的应用深度和广度，对生物质硬碳的实际应用具有重大意义，也是业内具有前瞻性研究人员广泛关注的焦点之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供了调控椰壳处理过程中材料中氧含量在提高椰壳基硬碳材料电化学性能方面的应用、一种预处理生物质椰壳制备硬碳材料的方法以及钠离子电池，本发明提供了多种预处理方法来处理生物质硬碳前驱体椰壳，能够解决生物质硬碳比容量低，循环稳定性差等问题。

2、本发明提供了调控椰壳处理过程中材料中氧含量在提高椰壳基硬碳材料电化学性能方面的应用。

3、优选的，所述调控的方法包括对椰壳进行水热预处理、对椰壳在空气气氛下进行低温预处理、对椰壳在保护性气氛下进行低温预处理以及对椰壳在氢和保护气的混合气氛下进行低温预处理中的一种或多种；

4、所述氧含量包括预处理后的前驱体材料的氧含量和/或椰壳基硬碳材料中的氧含量。

5、优选的，所述水热预处理的温度为100～200℃；

6、所述水热预处理的时间为2～24h；

7、所述在空气气氛下进行低温预处理的温度为100～300℃；

8、所述在空气气氛下进行低温预处理的时间为1～12h。

9、优选的，所述在保护性气氛下进行低温预处理的温度为100～300℃；

10、所述在保护性气氛下进行低温预处理的时间为1～12h；

11、所述在氢和保护气的混合气氛下进行低温预处理的温度为100～300℃；

12、所述在氢和保护气的混合气氛下进行低温预处理的时间为1～12h。

13、优选的，所述保护气包括氮气和/或惰性气体；

14、所述混合气氛中氢气与保护气的体积比为(5～10)：100；

15、所述电化学性能包括首次充放电库伦效率、比容量以及循环性能中的一种或多种。

16、优选的，所述预处理为改善椰壳前驱体的交联结构的预处理过程；

17、所述处理过程还包括预处理后的碳化步骤；

18、所述硬碳材料为硬碳负极材料；

19、所述负极材料包括钠离子电池负极材料。

20、优选的，所述椰壳包括椰壳粉末；

21、所述椰壳粉末的粒度为0.5～50μm；

22、所述氧含量具体为材料中的氧的原子含量为1％～10％；

23、所述椰壳包括经过清洗、烘干和粉碎后的一步或多步的椰壳材料。

24、本发明提供了一种预处理生物质椰壳制备硬碳材料的方法，包括以下步骤：

25、1)将清理后的椰壳粉末经过预处理后，得到椰壳前驱体；

26、2)将上述步骤1)得到的椰壳前驱体进行碳化，得到椰壳基硬碳材料。

27、优选的，所述清理包括清洗、烘干和粉碎中的一步或多步；

28、所述预处理包括水热预处理、在空气气氛下进行低温预处理、在保护性气氛下进行低温预处理以及在氢和保护气的混合气氛下进行低温预处理中的一种或多种；

29、所述碳化的温度为1000～1600℃；

30、所述碳化时间为1～12h。

31、本发明还提供了一种钠离子电池，所述钠离子电池包括负极材料；

32、所述负极材料包括上述技术方案任意一项所述应用中的椰壳基硬碳材料或上述技术方案任意一项所述的制备方法所制备的椰壳基硬碳材料。

33、本发明提供了调控椰壳处理过程中材料中氧含量在提高椰壳基硬碳材料电化学性能方面的应用。与现有技术相比，本发明提出了多种预处理方法来处理生物质硬碳前驱体椰壳，以解决生物质硬碳比容量低，循环稳定性差等问题。本发明所提供的预处理方法，可以有效除去生物质中的杂质，或可以有效改善椰壳前驱体的交联结构为后续形成更多的闭孔提供一定的条件。而且本发明所使用的椰壳前驱体成本低廉，节能环保，处理流程操作简单，不需要复杂的流程和昂贵的设备，无污染，可大规模量产，有利于大规模产业化，适用于工业化的需求。

34、实验结果表明，本发明所提供的生物质硬碳负极首次充放电库伦效率可达83％，比容量高达314mah/g，并且具有稳定的循环性能，能满足工业化应用的要求。

技术特征：

1.调控椰壳处理过程中材料中氧含量在提高椰壳基硬碳材料电化学性能方面的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述调控的方法包括对椰壳进行水热预处理、对椰壳在空气气氛下进行低温预处理、对椰壳在保护性气氛下进行低温预处理以及对椰壳在氢和保护气的混合气氛下进行低温预处理中的一种或多种；

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述水热预处理的温度为100～200℃；

4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述在保护性气氛下进行低温预处理的温度为100～300℃；

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述保护气包括氮气和/或惰性气体；

6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述预处理为改善椰壳前驱体的交联结构的预处理过程；

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述椰壳包括椰壳粉末；

8.一种预处理生物质椰壳制备硬碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述清理包括清洗、烘干和粉碎中的一步或多步；

10.一种钠离子电池，其特征在于，所述钠离子电池包括负极材料；

技术总结
本发明涉及一种椰壳基硬碳材料的制备方法、钠离子电池，提供了调控椰壳处理过程中材料中氧含量在提高椰壳基硬碳材料电化学性能方面的应用。本发明还提供了一种预处理生物质椰壳制备硬碳材料的方法。本发明提出了多种预处理方法来处理生物质硬碳前驱体椰壳，以解决生物质硬碳比容量低，循环稳定性差等问题。本发明所提供的预处理方法，可以有效除去生物质中的杂质，或可以有效改善椰壳前驱体的交联结构为后续形成更多的闭孔提供一定的条件。而且本发明所使用的椰壳前驱体成本低廉，节能环保，处理流程操作简单，不需要复杂的流程和昂贵的设备，无污染，可大规模量产，有利于大规模产业化，适用于工业化的需求。

技术研发人员：余彦,邓文杰,杨海
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14