沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及钠离子电池，尤其涉及一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、目前，环境污染和资源短缺是能源的主要问题。有前途的清洁新能源储能材料引起越来越多人的关注。锂离子电池已被广泛应用于手机、笔记本电脑、相机和其他便携式电子设备上，但资源的缺乏和价格限制了其广泛的应用。近年来，钠离子电池作为一种新一代电池，因其价格低廉和资源丰富的优点而受到越来越多的关注。近年来，人们研究了各种用于钠离子电池的负极材料。负极对电池的能量密度、倍率性能、循环性能以及首次库仑效率等有着重要影响。通常来说，良好的钠离子电池负极材料应具备以下特性：①具备较高的储钠比容量；②在钠离子脱嵌过程中，结构变化尽可能小；③与电解液具备良好的兼容性，不发生副反应；④具备较高的离子迁移率、电子导电率，较好的化学稳定性、热力学稳定性；⑤具备环保性和经济性。

2、相对正极材料，钠离子电池负极材料的研究和产业化进度明显偏慢，导致成本相对较高。主要原因是因为，相较于锂离子电池，钠离子原子半径较锂离子大至少35%以上，石墨负极层间距仅为 0.3354 纳米，钠离子较难嵌入脱出，锂离子电池中主流运用的石墨负极材料的孔径与层间距都无法满足钠离子电池负极的要求，无法用作钠电负极，因此，锂离子电池的石墨负极体系难以应用在钠离子电池中。

3、目前，被广泛研究的钠离子电池负极材料主要有碳基材料（软碳/硬碳等）、钛基嵌入型负极材料、有机材料和合金类材料等。这些材料的储钠性能都表现良好，但非碳基材料在循环过程中均表现出体积膨胀、稳定性差、导电性差等问题，实际应用较少。碳基材料技术成熟、来源广泛、价格低廉，有较高的比容量，较低的储钠电位，同时，稳定性高，循环性能优秀，在综合性能方面优势显著，是目前最具应用前景的钠离子电池负极材料。

4、钠离子电池硬碳负极材料相较于石墨负极具有高电荷容量、优异的倍率容量、长循环能力和良好的低温性能的优点，但硬碳材料作为负极仍存在短板。

5、（1）锂电硬碳负极首效低。硬碳材料由于孔隙结构复杂等原因，部分钠离子不能进行可逆循环，并且由于硬碳的比表面积较大，在形成sei层时消耗的钠离子也多于石墨材料，因此，硬碳负极的首圈库伦效率较低（不超过 80%）。

6、（2）不同前体的应用对硬碳负极的性能起着至关重要的作用，硬碳负极多采用生物质前驱体制备，如椰壳，秸秆，毛竹，芦苇等。纤维素和木质素是生物质的主要成分，据研究，与木质素衍生的硬碳相比，纤维素衍生的硬碳负极材料具有更理想的首效、更高的可逆比容量和更出色的速率能力性能。但目前生物质前驱体存在纤维素含量较低等问题，导致硬碳负极材料首效性能较差。

技术实现思路

1、本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料及其制备方法，以提升硬碳负极材料的首效性能。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料，包括太空芦竹硬碳材料以及沥青，沥青包覆于太空芦竹硬碳材料外，沥青与太空芦竹硬碳材料的质量比为1:(3~9)。

3、相应地，本发明实施例还提供了一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，包括：

4、步骤1：将太空芦竹洗涤后，依次进行干燥、粉碎、过筛处理，得到粉碎后的太空芦竹；

5、步骤2：将粉碎后的太空芦竹进行酸浸，酸浸完成后再进行烘干碳化得到太空芦竹碳化粉末；

6、步骤3：将太空芦竹碳化粉末、沥青粉末、活化剂进行混合，得到预混料；其中，沥青与太空芦竹碳化粉末的质量比为1:(3~9)；

7、步骤4：将预混料分阶段进行煅烧，冷却得到沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料。

8、进一步地，活化剂为koh或k2co3。

9、进一步地，步骤4中，按以下阶段进行煅烧：

10、第一阶段，煅烧温度为180-400℃，煅烧时间为30-100min；

11、第二阶段，煅烧温度为600-800℃，煅烧时间为60-150min。

12、进一步地，步骤2中，采用盐酸或硫酸进行酸浸。

13、进一步地，步骤2中，酸浓度0.5mol/l-2mol/l，酸浸时间为10 h -20h，酸浸温度为50-70℃。

14、进一步地，步骤2中，碳化温度为550-750℃，升温速率为1-5℃/min，碳化时间为1-3h。

15、进一步地，碳化过程中通入气氛为惰性气体。

16、进一步地，步骤1中，干燥温度为90-105℃，干燥时间为12-24h。

17、进一步地，步骤1中，过筛处理的筛网目数为100-500目。

18、本发明的有益效果为：

19、（1）本发明的材料是基于太空芦竹生物质材料，太空芦竹也被称为“超级芦竹”，其所具备的特性却使其在多领域展现出巨大的前景。太空芦竹的生长速度和生物量都具有惊人的潜力，每天可生长10-30厘米，汇碳能力达到森林的25-40倍。太空芦竹含有大量的纤维素，作为硬碳材料生物质前驱体具有巨大潜力。

20、（2）本发明通过浓磷酸酸浸去除无机杂质和部分有机组分，并采用沥青包覆进行表面改性，防止有机溶剂共嵌入、分解，避免硬碳结构剥离，提高循环稳定性及首效，实现良好的储钠性能。

21、（3）本发明的原料成本低、方法简单、流程较短、能耗较低，本发明的制备过程无有毒有害物质生成，易实现大批量生产，具有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料，其特征在于，包括太空芦竹硬碳材料以及沥青，沥青包覆于太空芦竹硬碳材料外，沥青与太空芦竹硬碳材料的质量比为1:(3~9)。

2.一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，包括：

3.如权利要求2所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，活化剂为koh或k2co3。

4.如权利要求2所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，按以下阶段进行煅烧：

5.如权利要求2所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用盐酸或硫酸进行酸浸。

6. 如权利要求5所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，酸浓度0.5mol/l-2mol/l，酸浸时间为10 h -20h，酸浸温度为50-70℃。

7.如权利要求2所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，碳化温度为550-750℃，升温速率为1-5℃/min，碳化时间为1-3h。

8.如权利要求7所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，碳化过程中通入气氛为惰性气体。

9.如权利要求2所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，干燥温度为90-105℃，干燥时间为12-24h。

10.如权利要求2所述的沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，过筛处理的筛网目数为100-500目。

技术总结
本发明实施例公开了一种沥青包覆太空芦竹硬碳钠电负极材料及其制备方法，所述材料包括太空芦竹硬碳材料以及沥青，沥青包覆于太空芦竹硬碳材料外，沥青与太空芦竹硬碳材料的质量比为1:(3~9)。本发明能够提高循环稳定性及首效，实现良好的储钠性能，本发明的原料成本低、方法简单、流程较短、能耗较低，易实现大批量生产，具有较好的应用前景。

技术研发人员：王世川,陈宇澄,罗旭芳,潘素清
受保护的技术使用者：富华德电子（东莞）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10