一种低温合成的高倍率钠离子电池硬碳负极材料的制备方法

本发明涉及钠离子负极材料制备领域，具体涉及高倍率钠离子电池硬碳负极材料的制备方法及其产品。

背景技术：

1、与锂离子电池相比，钠离子电池因其原材料资源丰富、成本低廉和可持续性强的特点而被认为是下一代二次电池的有潜力的候选材料。然而，目前仍然缺乏综合性能优异的负极材料来进一步提高钠离子电池的整体能量密度。在已知研究的负极材料中，硬碳材料由于展现了低成本和高容量的优势，被认为是最有商业化前景的储钠负极材料。然而，目前制备硬碳材料的温度普遍偏高，能耗较大。同时，当硬碳材料作为钠离子电池的负极时，还存在首次库伦效率低和倍率性能不理想的问题。基于此，发展在低温条件下制备高倍率钠离子电池硬碳负极材料成为了目前研究的焦点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低温合成的高倍率钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，该方法具有成本低、效率高、工艺简易、碳化温度低等特点；利用本方法可以制备出高首次库伦效率、高可逆比容量、高倍率性能的生物质硬碳材料。

2、为达到上述技术目标，本发明的具体技术方案如下：

3、（1）将粉碎处理的生物质前驱体进行酸洗处理并洗涤干燥，以获得的硬碳前驱体；

4、（2）将酸处理之后的硬碳前驱体与具有良好石墨结构的碳材料进行球磨，并在保护气氛中进行高温煅烧，得到硬碳负极材料；

5、进一步的，步骤（1）所述生物质原料为竹子、秸秆、葫芦、核桃壳、甘蔗渣、玉米棒、木屑、豆渣中的一种或多种。

6、进一步的，步骤（1）所述的酸洗处理，酸溶液为硝酸、硫酸、盐酸、氢氟酸、磷酸的一种或多种（ph=1-5），浓度为0.1-0.5 m，生物质原料在酸溶液中的质量占比为5-60 %，干燥温度为80-120 ℃，干燥时间为8-12 h。

7、进一步的，步骤（2）所述具有良好石墨结构的碳材料包括纳米石墨、石墨烯、实验室制备的其他硬碳材料中的一种或多种，生物质原料与具有良好石墨结构的碳材料的质量比为1-5 %，球磨时间为1-5 h，转速为300-500 rmp/min。

8、进一步的，步骤（2）所述保护气氛为氮气、氩气等；使用的高温煅烧装置包括但不限于管式炉、焦耳热炉、石墨炉等加热装置。

9、进一步的，步骤（2）所述的制备方法，其特征在于，所述热处理升温速率为1 ℃/s- 10 ℃/s，碳化温度为400 ℃-1000 ℃，保温时间为0-240 min。

10、本发明提供了所述的低温制备方法得到的钠离子电池硬碳负极材料的相关结构、性能参数，所述负极材料的粒径d50为1-16 μm，比表面积≤35 m2/g，振实密度0.6-1.0 g/cm3；首次库伦效率≥89 %，首圈可逆比容量≥250 mah/g。

11、相对于现有技术，本发明所述的一种钠离子电池硬碳负极材料的制备方法具有以下优势：

12、本发明中所述的钠离子电池硬碳负极材料，合成温度低，能耗小，成本低，同时能够有效调节硬碳材料的结构。将该硬碳材料作为钠离子电池的负极材料，能够兼顾首次库伦效率与倍率性能。

技术特征：

1.一种钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的生物质原料为竹子、秸秆、葫芦、核桃壳、甘蔗渣、玉米棒、木屑、豆渣中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的酸溶液为硝酸、硫酸、盐酸、氢氟酸、磷酸的一种或多种（ph=1-5），浓度为0.1-0.5 m，生物质原料在酸溶液中的质量占比为5-60 %，干燥温度为100-120 ℃，干燥时间为8-12 h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的具有良好石墨结构的碳材料包括纳米石墨、石墨烯、实验室制备的其他硬碳材料中的一种或多种；生物质原料与具有良好石墨结构的碳材料的质量比为1-5%，球磨时间为1-5 h，转速为300-500 rmp/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的保护气氛为氮气、氦气、氖气、氩气等中的一种或几种，优选为氮气、氩气；使用的高温煅烧装置包括但不限于管式炉、焦耳热炉、石墨炉等加热装置。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的热处理升温速率为1℃/s - 10℃/s，碳化温度为400 ℃-1000 ℃，保温时间为0-240 min。

7.根据权利要求1-6所述制备方法获得的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述负极材料的粒径d50为1-16 μm，比表面积≤35 m2/g，振实密度0.6-1.0 g/cm3；首次库伦效率≥89 %，首圈可逆比容量≥250 mah/g。

8.根据权利要求1-7任一项所述制备方法制得的钠离子电池硬碳负极材料在储能钠离子电池领域的应用。

技术总结
本发明提供了一种低温合成高倍率钠离子电池硬碳负极材料的制备方法。本发明所述以生物质为硬碳负极材料的前驱体，通过加入纳米石墨调节其石墨化程度，获得具有优异电化学性能的硬碳负极材料，制备过程简单，碳化温度低；得到的生物质衍生硬碳负极材料应用于钠离子电池时展现出了较高的首次库伦效率以及优异的倍率性能，解决了钠离子电池硬碳负极材料倍率性能不理想的问题。

技术研发人员：吴星樵,侴术雷,李丽,吴春,何祥喜
受保护的技术使用者：温州大学碳中和技术创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25