一种钠离子电池生物基硬碳材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物质硬碳制备技术和钠离子电池负极材料的，涉及一种钠离子电池生物基硬碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、风力发电、光伏发电等新能源发电的装机容量逐年上升，新能源汽车的保有量也大幅增长，随之而来的是对低成本、大容量、高性能储能器件的需求。锂离子电池作为电池储能的一种，由于其高比容量和优异的循环、倍率性能已经实现商业化，但锂资源有限，我国70％的锂需要依赖进口，成本和资源量的限制使得迫切需要寻求锂离子电池的替代品。

2、na和li同为第一主族的元素，化学性质相似，且钠在海洋里储量丰富，每千克钠仅2元，每千克锂在150元左右，因此钠离子电池成为当前的研究热点。但钠离子的半径比锂离子大，很难在锂电池的负极石墨材料中进行脱嵌，负极材料成为限制钠离子电池性能提升的瓶颈。硬碳材料由于石墨化程度低，具有较大的层间距和发达的孔隙结构，被认为是钠离子电池负极材料的理想选择。硬碳材料前驱体有三大类：煤基、树脂和生物质，其中生物质来源广泛、绿色环保，受到了学者的广泛研究。传统制备硬碳材料一般使用电阻炉，升降温速率慢、煅烧时间长、能耗高，长时间的高温会促进硬碳微晶的生长，同时使整体结构趋向有序化，不利于形成“长程无序短程有序”的硬碳结构。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种钠离子电池生物基硬碳材料及其制备方法和应用，利用焦耳热加热生物质原料制备硬碳，相较于传统硬碳制备方法进程快、能耗低，应用于钠离子电池负极表现出优异的电化学性能。

2、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，以生物质材料为原料，通过预炭化-焦耳热快速高温精炼两步热解法制备，得到生物基硬碳材料；再向生物基硬碳材料中加入盐酸，煮沸，洗涤至中性后烘干，即得钠离子电池生物基硬碳材料。

4、进一步地，所述预炭化的温度为400℃，升温速率为5℃/min。

5、进一步地，所述焦耳热快速高温精炼的温度为1000-1800℃；升温至高温精炼温度的时间不超过2min；保温时间为10min。

6、进一步地，所述焦耳热快速高温精炼的温度为1600℃；升温至高温精炼温度的时间为1-2min；保温时间为10min。

7、进一步地，高温精炼后，降温至室温的时间小于10min。

8、进一步地，煮沸时间为5-10min。

9、进一步地，所述生物质材料选自：椰壳、竹材和木材中的一种。

10、进一步地，上述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，步骤如下：

11、(1)将生物质原料经干燥后，破碎成颗粒；

12、(2)将预处理后的生物质原料置于电阻炉中以5℃/min的升温速率升温至400℃的预炭化温度并保温2h，得到的炭化料经研磨后成粉状；

13、(3)将步骤(2)得到的炭化料置于焦耳加热装置中，在2min内快速升温至1000-1800℃的高温精炼温度，保温10min，形成碳微晶结构；再将硬碳在10min内快速降温至室温，即得到负极硬碳材料；

14、(4)向步骤(3)得到的负极硬碳材料中加入盐酸，煮沸5-10min，再用去离子水反复洗涤至中性并烘干，得到钠离子电池生物基硬碳材料。

15、进一步地，由上述制备方法制得的钠离子电池生物基硬碳材料。

16、进一步地，所述的钠离子电池生物基硬碳材料，可作为负极材料用于钠离子电池。

17、相比于现有技术，本发明的优点：

18、1)本发明利用焦耳热加热生物质原料制备硬碳，相较于传统硬碳制备方法进程快、能耗低，1分钟之内升温至千度，并在10分钟内冷却至室温。

19、2)本发明快速升温定向形成短尺寸微晶结构，快速降温有效抑制降温过程中碳微晶的重排，保护碳微晶乱层结构，使硬碳呈现“长程无序短程有序”的碳微晶堆积结构，该结构具有更高的无序度与更多的闭孔结构，应用于钠离子电池负极表现出优异的电化学性能。

20、3)本发明通过精准调控加热区域，定向加热样品区，有效提高能量利用率，避免了热能的浪费。

技术特征：

1.一种钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，以生物质材料为原料，通过预炭化-焦耳热快速高温精炼两步热解法制备，得到生物基硬碳材料；再向生物基硬碳材料中加入盐酸，煮沸，洗涤至中性后烘干，即得钠离子电池生物基硬碳材料。

2.根据权利要求1所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述预炭化的温度为400℃，升温速率为5℃/min。

3.根据权利要求1所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述焦耳热快速高温精炼的温度为1000-1800℃；升温至高温精炼温度的时间不超过2min；保温时间为10min。

4.根据权利要求3所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述焦耳热快速高温精炼的温度为1600℃；升温至高温精炼温度的时间为1-2min；保温时间为10min。

5.根据权利要求1所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，高温精炼后，降温至室温的时间小于10min。

6.根据权利要求1所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，煮沸时间为5-10min。

7.根据权利要求1所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述生物质材料选自：椰壳、竹材和木材中的一种。

8.根据权利要求1-7任一所述的钠离子电池生物基硬碳材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

9.根据权利要求8所述的制备方法制得的钠离子电池生物基硬碳材料。

10.根据权利要求9所述的钠离子电池生物基硬碳材料，可作为负极材料用于钠离子电池。

技术总结
本发明公开了一种钠离子电池生物基硬碳材料及其制备方法和应用，属于生物质硬碳制备技术和钠离子电池负极材料的技术领域。本发明以生物质为原料，通过预炭化‑焦耳热快速高温精炼两步热解法制备得到生物基硬碳，该材料作为负极材料应用于钠离子电池。本发明相较于传统硬碳制备方法进程快、能耗低、容量大，1分钟之内升温至千度，并在10分钟内冷却至室温，快速升温定向形成短尺寸微晶结构，快速降温有效抑制降温过程中碳微晶的重排，保护碳微晶乱层结构，使硬碳呈现“长程无序短程有序”的碳微晶堆积结构，该结构具有更高的无序度与狭缝结构，具备高电化学容量，应用于钠离子电池负极表现出优异的电化学性能。

技术研发人员：孙康,李俊潇,王傲,张高月,汪书乐,吴迪超,周立敏
受保护的技术使用者：中国林业科学研究院林产化学工业研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/8/21