一种硬炭负极材料及其制备方法和应用

本申请属于电池材料，特别是涉及一种硬炭负极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前的能源生产和消费主要依赖于化石燃料，造成全球变暖、环境污染和潜在的能源危机。为了取代化石燃料，迫切需要具有高能量和功率密度的清洁高效的替代能源储存和转换系统。锂离子电池具有高能量密度和工作电压，已成为电动汽车和储能领域的首选电源。随着锂资源需求的增加及其价格的上涨，其替代品如钠电池和铝电池引起广泛的关注。石墨作为负极表现出良好的储锂容量，但是其缺点主要是倍率性能较差。硬炭材料因其内部的石墨微晶排列杂乱无序、层间距大、存在孔隙结构，诱导其用作储能电池负极展现出高比容量、优异的倍率性能和循环稳定性。

2、硬炭材料的前驱体主要分为生物质、高分子类、树脂类、石油化工副产物和煤基材料。相比其他几类前驱体，生物质资源丰富、成本低廉，因此受到业界广泛关注，并且其内部包含大量的纤维素、半纤维素和木质素，简单易得，已成为最具有商业应用潜力的低成本负极材料。大多数生物质衍生的硬炭材料，特别是天然木材及其衍生物，可以从丰富的天然微观结构中继承多孔微观结构和多层结构，对材料电荷存储性能的提升起着关键作用。而桉树是世界三大速生造林树种之一，桉树木材善于吸收水分，并且有着丰富的管道结构来输送水分和营养物质。在炭化过程中使木材原有的多通道结构和孔隙度保持完整，是硬炭材料的理想前驱体。目前，少有报道以桉树木材为主要原料，用于制备电池负极材料的成熟方案。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种硬炭负极材料及其制备方法和应用，以成本低、来源广的桉树木材为原料，用于制备具有高容量以及优异的循环和放电性能的电极材料。为此，本申请采用以下技术方案：

2、第一方面，本申请提供一种硬炭负极材料的制备方法，其包括：

3、将桉树木材进行低温预炭化处理，得到中间炭材料；

4、将所述中间炭材料进行碱性物质浸渍、第一次水洗、第一次烘干、造粒后，再进行高温硬炭化处理，得到硬炭材料；

5、将所述硬炭材料进行酸性溶液浸泡、第二次水洗、第二次烘干、破碎、过筛后，得到所述硬炭负极材料。

6、在至少一个实施例中，所述低温预炭化处理和高温硬炭化处理均在真空或保护气体的氛围下进行；所述低温预炭化处理以1～10℃/min的升温速率升温至300～700℃后，保温0.5～8h；所述高温硬炭化处理先以5～10℃/min的升温速率升温至800～1000℃，再以1～4℃/min的升温速率升温至1100～2000℃，最后保温1～9h。进一步地，所述保护气体包括氮气、氩气、氨气、氮气与氢气的混合气体、氩气与氢气的混合气体中的任意一种。

7、在至少一个实施例中，所述碱性物质浸渍的过程为：将所述中间炭材料用碱性物质的水溶液浸泡后取出，于500～700℃的温度下保温0.5～2h。进一步地，所述碱性物质为na2co3和k2co3中的至少一种，所述中间炭材料和碱性物质的质量比为1:(0.05～0.15)。

8、在至少一个实施例中，所述造粒为挤压造粒，造粒时的压力为10～30mpa，造粒后得到圆柱形颗粒。

9、在至少一个实施例中，所述酸性溶液为氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的至少一种，所述酸性溶液的浓度为0.1～1mol/l，所述硬炭材料和酸性溶液的质量比为1:(0.1～0.5)。

10、在至少一个实施例中，所述第一次水洗和第二次水洗为离心洗涤至水溶液为中性。

11、在至少一个实施例中，所述第一次烘干和第二次烘干的温度为60～150℃，时间为6～24h。

12、在至少一个实施例中，所述过筛所用的筛网目数为300～2800目。

13、第二方面，本申请还提供一种硬炭负极材料，其由上述的制备方法制得。

14、在至少一个实施例中，所述硬炭负极材料满足以下条件中的至少一个：

15、(1)所述硬炭负极材料的振实密度≥0.5g/cm3；

16、(2)所述硬炭负极材料的炭含量≥97wt％。

17、第三方面，本申请还提供一种电池负极，其包含上述的硬炭负极材料。

18、在至少一个实施例中，所述电池负极的面密度为2～15mg/cm2。

19、第四方面，本申请还提供一种电池，其包括上述的电池负极。

20、具体地，所述电池包括锂电池、钠电池和铝电池。

21、相比于现有技术，本申请至少实现如下有益效果：

22、(1)本申请通过低温预炭化、碱液浸渍、造粒、高温硬炭化、酸洗处理等工艺，制备获得桉树木材衍生的硬炭负极材料，在硬炭化处理时可使材料的部分开孔向闭孔转化，从而使负极材料的容量得到提升；该工艺方法简单，原料成本低，适合进行工业化生产。

23、(2)本申请使用桉树木材为原料，主要是以木质素和半纤维素为主，衍生的硬炭材料具有多级孔隙结构和管道结构，同时保持高的振实密度；用作储能电池的负极材料，展现出高容量、优异的循环和倍率性能。

技术特征：

1.一种硬炭负极材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性物质浸渍的过程为：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

8.一种硬炭负极材料，其特征在于，由权利要求1～7中的任一项所述制备方法制得。

9.一种电池负极，其特征在于，包含权利要求8所述的硬炭负极材料。

10.一种电池，其特征在于，包括权利要求9所述的电池负极。

技术总结
本申请公开了一种硬炭负极材料及其制备方法和应用。该方法包括：将桉树木材进行低温预炭化处理，得到中间炭材料；将所述中间炭材料进行碱性物质浸渍、水洗、烘干、造粒后，再进行高温硬炭化处理，得到硬炭材料；将所述硬炭材料进行酸性溶液浸泡、水洗、烘干、破碎、过筛后，得到所述硬炭负极材料。该硬炭负极材料可用于制备电池及电池负极。本申请以成本低、来源广的桉树木材为原料，可用于制备具有高容量以及优异的循环和放电性能的电极材料，适合于工业化生产。

技术研发人员：邓健秋,刘冬旭,鄢经纬,周育丹,韦小月,江莎莎
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/31