[发明专利]一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料及其制备方法和应用,其制备方法包括：将一种或多种木材的木质部进行粉碎混合，得到粗粉；所述木材包括杨木、枣木、柳木、松木或梧桐木中的一种或多种；在300℃‑600℃的惰性气氛中保温1‑5小时，对所述粗粉进行预碳化处理，得到预碳化材料；以0.5℃/min‑10℃/min的升温速率升温至800℃‑1600℃，在惰性气氛中对所述预碳化材料热处理1‑10小时，使所述预碳化材料发生碳化、裂解反应；冷却后，得到所述具有纵向孔结构的热解硬碳材料。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

化石燃料作为传统的一次能源材料，存在着高污染、不可再生等缺点。随着太阳能、风能等可再生能源的兴起，其优势逐渐明显。但由于其存在的间歇性和不稳定性等特点，直接入电网会对电网系统造成较大冲击。大规模储能系统能够在发电端和电网之间稳定供电质量，存在着巨大意义。目前的储能方式有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能和化学储能等形式。其中化学储能不受地理条件限制，设备配置灵活，应用前景最为广阔。

二次电池作为主要的化学储能设备，在此领域发挥着主要作用。比较成熟的锂离子电池，能够提供较为稳定和相对经济的储能容量。但金属锂在地壳中含量非常稀少，并且分布不均匀，其价格相对较高。由于钠在地壳中含量极为丰富，价格便宜，为了开发经济的储能系统，钠离子电池在可预见的将来，在大规模储能设备领域有着非常大的应用前景。

高性能负极材料的开发是钠离子电池商业化的重要步骤，硬碳作为比较有前景的负极材料，具有首周效率相对较高、储钠电位低、循环稳定性好等优点。制备硬碳材料的前驱体主要包括纤维素、糖类、呋喃树脂、酚醛树脂和聚偏二氯乙烯等，由于这些前驱体材料的价格高、产炭率低导致硬碳的价格较高，并且很多被报道的硬碳材料的制备过程复杂，这些缺点限制了硬碳材料的应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料及其制备方法和应用，制备得到的热解硬碳材料保留有木材特有的纵向孔结构，有利于离子传输，能够提高电池倍率性能和循环寿命。本发明提供的热解硬碳材料制备简单、原材料资源丰富、可再生、成本低廉，是无污染的绿色材料，采用该材料作为负极活性材料的钠离子二次电池，具有较高的工作电压和能量密度、倍率性能好，安全性能好，在6C下循环1200周容量保持率可达到71％，可以应用于太阳能发电、风力发电、智能电网调峰、分布电站、后备电源或通信基站的大规模储能设备。

第一方面，本发明实施例提供了一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料的制备方法，包括：

将一种或多种木材的木质部进行粉碎混合，得到粗粉；所述木材包括杨木、枣木、柳木、松木或梧桐木中的一种或多种；

在300℃-600℃的惰性气氛中保温1-5小时，对所述粗粉进行预碳化处理，得到预碳化材料；

以0.5℃/min-10℃/min的升温速率升温至800℃-1600℃，在惰性气氛中对所述预碳化材料热处理1-10小时，使所述预碳化材料发生碳化、裂解反应；

冷却后，得到所述具有纵向孔结构的热解硬碳材料。

优选的，所述方法还包括：

在所述热处理过程中通入流量为0.5-200mL/min含碳氢化合物的气体，用于进行表面包覆；

其中，所述含碳氢化合物的气体包括:甲烷、乙烷、甲苯、乙烯、乙炔和丙炔中的任一种或多种。

优选的，所述粉碎混合具体包括：机械粉碎、球磨、搅拌和/或超声分散。

优选的，所述将一种或多种木材的木质部进行粉碎混合具体为：

将一种或多种木材的木质部与硬碳前驱体按照1：(0-10)的质量比进行粉碎混合；