一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用与流程

本发明涉及一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用，属于电池制造。

背景技术：

1、

2、新兴的钠离子电池技术由于具有更低的成本和更高的安全性等优势，在新能源汽车和储能电网等多个领域有望代替锂离子电池，是一种颇具前景的电池技术。但是钠离子的离子半径比锂离子大，钠离子在电池充放电过程中扩散运动缓慢，且现有电极材料体积变化剧烈，储钠性能不佳，很难获得良好的电化学性能。研究发现，硬碳具有各向同性的结构特征，微观结构呈非晶态，层间距较大，里面能嵌入钠离子的孔洞比较多，并且硬碳的无序结构使得其拥有更多的缺陷、空位，即具有更多的储钠活性位点，因此具有较高的储钠能力，因而被看作是最有希望推动钠离子产业化的关键负极材料。因此，研发储钠效率更高且廉价稳定的硬碳材料，是迈向钠离子电池规模化应用的关键一步。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、针对现有硬碳材料容量低和首效低，等问题，本发明提供可一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用，具有大规模生产的可行性。

3、一方面，本发明提供了一种硬碳负极材料的制备方法，包括：以糖类为碳源前驱体，酚醛系阳离子交换树脂为载体材料，先将糖类溶液分散在酚醛系阳离子交换树脂内部，再经1300～1500℃下高温碳化，得到所述硬碳负极材料。

4、较佳的，所述糖类包括葡萄糖、麦芽糖、乳糖、果糖、蔗糖、淀粉、纤维素、糖原、粘多糖、半纤维素和木糖中的至少一种，优选蔗糖、葡萄糖或淀粉。

5、较佳的，所述糖类溶液的浓度为1～50wt％。

6、较佳的，所述糖类溶液的溶剂包括蒸馏水，乙醇和丙酮中的至少一种或两种中的至少一种。

7、较佳的，所述酚醛系阳离子交换树脂为弱酸性阳离子交换树脂；优选地，弱酸性阳离子交换树脂含有弱酸性交换基团；更优选地，所述弱酸性交换基团包括羧酸基—cooh、磷酸基—po2h2、酚基中至少一种。

8、较佳的，所述分散的方式为搅拌；所述搅拌的转速为250～500转/分钟，时间2～12小时。

9、较佳的，所述糖类和阳离子交换树脂的质量比为1：(0.1～99)。若是糖类过量，容量降低；阳离子交换树脂容量和首效降低。

10、较佳的，所述高温碳化的时间为1～12小时。

11、较佳的，所述高温碳化的升温速率为1～20℃/分钟。

12、较佳的，所述高温碳化的气氛为保护气氛，优选包括ar、n2、he、h2、nh3、co2中的至少一种。

13、另一方面，本发明提供了一种根据上述制备方法制备的硬碳负极材料。

14、再一方面，本发明提供了一种硬碳负极材料在钠离子电池中的应用。

15、本发明的有益效果：

16、本发明中，糖类前驱体碳化过程体积膨胀严重，引入酚醛系阳离子交换树脂可有效改善糖类前驱体的体积膨胀问题，同时可实现高的首效和充电容量的目标；

17、本发明中，酚醛系阳离子交换树脂比表面积较大，糖类前驱体引入合成的硬碳负极材料具有低的比表面积(＜5m2/g)；

18、本发明中，合成工艺流程简单，原材料成本便宜，具有产业化前景；

19、本发明中，酚醛系阳离子交换树脂具有大量的内部孔径，糖类会与酚醛系阳离子交换树脂相互作用，可以改善糖类碳化体积膨胀问题；糖类可以注入到酚醛系阳离子交换树脂内部孔径内部，形成包覆，使其开孔转化为封闭的纳米孔，从而提高储钠容量。

技术特征：

1.一种硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括：以糖类为碳源前驱体，酚醛系阳离子交换树脂为载体材料，先将糖类溶液分散在酚醛系阳离子交换树脂内部，再经1300～1500℃下高温碳化，得到所述硬碳负极材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述糖类包括葡萄糖、麦芽糖、乳糖、果糖、蔗糖、淀粉、纤维素、糖原、粘多糖、半纤维素和木糖中的至少一种；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酚醛系阳离子交换树脂为弱酸性阳离子交换树脂；优选地，所述弱酸性阳离子交换树脂含有弱酸性交换基团；更优选地，所述弱酸性交换基团包括羧酸基—cooh、磷酸基—po2h2、酚基中至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散的方式为搅拌；所述搅拌的转速为250～500转/分钟，时间2～12小时。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述糖类和阳离子交换树脂的质量比为1：(0.1～99)。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温碳化的时间为1～12小时。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述高温碳化的升温速率为1～20℃/分钟。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述高温碳化的气氛为保护气氛，优选包括ar、n2、he、h2、nh3、co2中的至少一种。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备的硬碳负极材料。

10.一种如权利要求9所述的硬碳负极材料在钠离子电池中的应用。

技术总结
本发明涉及一种硬碳负极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用。所述硬碳负极材料的制备方法包括：以糖类为碳源前驱体，酚醛系阳离子交换树脂为载体材料，先将糖类溶液分散在酚醛系阳离子交换树脂内部，再经1300～1500℃下高温碳化，得到所述硬碳负极材料。

技术研发人员：谭清彬,李忆秋,李礼,赵高超,苏道东
受保护的技术使用者：泰安市法拉第能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15