廉价高比表面硬碳的制备方法及其在钠离子电池上的应用

本发明涉及廉价高比表面硬碳的制备方法及其在钠离子电池上的应用，属于碳材料领域。

背景技术：

1、现阶段我国的锂资源主要依赖于进口，因此寻找替代或备选储能技术是眼下的技术焦点；在锂电池潜在的诸多取代者中，钠离子电池因其具有丰富的储量、低廉的成本、较高的安全性等优点而备受青睐。但负极材料的性能仍制约着钠离子电池性能的进一步提高。在目前常见的钠离子电池负极材料中，，碳基材料因为具有来源广泛、资源丰富、结构多样和寿命长等优势而成为研究储钠负极材料的首选目标。石墨材料作为钠离子电池负极材料难以形成钠插入石墨化合物，只有少量的na+可以储存在石墨中，导致可逆容量被抑制；软碳材料在钠离子发生嵌脱反应的时候容易引起层间距的改变，且可石墨化软碳在高温下容易石墨化，层间距会减小，降低材料的储钠能力；而硬碳材料的硬碳层间距大，拥有较多的缺陷、空位，具有较高的储钠能力，但是成本相对高昂，制约了其大规模应用。

2、因此如何简约经济的制备可用于钠离子电池负极的硬碳，成为了目前人们的研究热点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种廉价高比表面硬碳的制备方法及其在钠离子电池上的应用。

2、为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、技术主题一

4、廉价高比表面硬碳的制备方法，包括如下步骤：

5、a、将dl-天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺混合球磨，在300-500℃保温3.0 h-6 h，得到中间产物；

6、b、将中间产物在惰性气体氛围下1100-1300℃碳化，保温0.5-5h，酸洗，得到硬碳材料。

7、作为本发明的优选实施方案，所述dl-天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺的质量比为5-15：2.5-7.5：2.5-7.5：1.5-4.5：2.5-7.5。

8、作为本发明的优选实施方案，所述dl-天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺的质量比为10：5：5：3：5。

9、作为本发明的优选实施方案，所述球磨转速为100-600转/分钟；球磨时间为5-12h。

10、作为本发明的优选实施方案，所述步骤a在300℃保温5h。

11、作为本发明的优选实施方案，所述步骤b中间产物在惰性气体氛围下1200℃碳化，保温1.5h。

12、作为本发明的优选实施方案，所述酸洗步骤为将中间产物在5 wt%盐酸溶液中酸洗。

13、作为本发明的优选实施方案，所述碳化的具体步骤为：以5-10℃/min的升温速率升温至1100-1300℃。

14、技术主题二

15、本发明还提供了技术主题一所述廉价高比表面硬碳的制备方法制备的硬碳材料的应用，用于钠离子电池负极材料。

16、技术主题三

17、本发明还提供了一种钠离子电池，包括采用技术主题一所述廉价高比表面硬碳的制备方法制备的硬碳材料。

18、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

19、1、本发明提供的制备方法采用dl-天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺精准搭配，不仅操作简单、原料来源广泛、简单易得、节约成本；而且制备的硬碳材料在钠电池领域有着很高的实用性应用前景。

20、2、本发明中选用的dl-天冬氨酸是一种廉价的生物质，价格低廉且资源丰富；相比聚天冬氨酸、壳聚糖和甲壳素不仅价廉且制备的硬碳用于钠电池的电池性能更好；本发明选用的三聚氰胺原位掺杂氮，同时与天冬氨酸聚合形成高聚物，提高了固碳含量，增加了材料缺陷，为储钠提供了容量。

技术特征：

1.廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述dl-天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺的质量比为5-15：2.5-7.5：2.5-7.5：1.5-4.5：2.5-7.5。

3.根据权利要求1或2所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述dl-天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺的质量比为10：5：5：3：5。

4.根据权利要求1或2所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述球磨转速为100-600转/分钟；球磨时间为5-12h。

5.根据权利要求1或2所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述步骤a在300℃保温5h。

6.根据权利要求1或2所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述步骤b中间产物在惰性气体氛围下1200℃碳化，保温1.5h。

7.根据权利要求1或2所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述酸洗步骤为将中间产物在5 wt%盐酸溶液中酸洗。

8.根据权利要求1或2所述的廉价高比表面硬碳的制备方法，其特征在于，所述碳化的具体步骤为：以5-10℃/min的升温速率升温至1100-1300℃。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的廉价高比表面硬碳的制备方法制备的硬碳材料的应用，其特征在于，用于钠离子电池负极材料。

10.一种钠离子电池，其特征在于，包括采用如权利要求1-8任一项所述的廉价高比表面硬碳的制备方法制备的硬碳材料。

技术总结
本发明涉及廉价高比表面硬碳的制备方法，包括如下步骤：将DL‑天冬氨酸、甲酸钾、聚乙烯吡咯烷酮、氯化铵和三聚氰胺混合球磨，在300‑500℃保温3.0 h‑6 h，得到中间产物；将中间产物在惰性气体氛围下1100‑1300℃碳化，保温0.5‑5h，酸洗，得到硬碳材料。本发明制备方法操作简单，且原料来源广泛，简单易得，节约成本。

技术研发人员：许跃龙,王莎莎,张利辉,刘振法,翟作昭,任斌
受保护的技术使用者：河北省科学院能源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15