[发明专利]一种以海带为碳源制得的硬碳颗粒及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种以海带为碳源制得的硬碳颗粒，还公开了上述硬碳颗粒的制备方法以及其在钠离子电池负极材料方面的应用。本发明制备方法以海带为原料，通过酸处理和高温热解后得到硬碳颗粒(KHC)，制得的硬碳颗粒在作为钠离子电池负极材料时，表现出了优异的电化学性能，在1000mA·g^‑1的电流密度下其比容量仍稳定在96mAh·g^‑1，而在200mA·g^‑1的电流密度下，经300圈循环后其比容量仍有205mAh·g^‑1，另外，本发明制备方法还具有工艺简单、所用原料成本低、环境友好可再生的优点，能够适用于大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种以海带为碳源制得的硬碳颗粒，还涉及上述硬碳颗粒的制备方法以及该硬碳颗粒在钠离子电池负极材料方面的应用。

背景技术

锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长而被广泛应用于便携式电子设备、混合动力汽车和纯电动汽车领域。但是，锂的地壳含量低(0.0065％)、地理分布不均匀(主要集中于南美洲)、成本高($5000/ton)等缺点使得锂离子电池无法满足日益增加的大规模能源存储需求。近年来，钠离子电池作为锂离子电池的替代品倍受关注，这主要是因为钠离子电池具有原料价格便宜、资源丰富、环境友好等优点。迄今为止，人们已经制备出多种钠离子电池正极材料，而其负极材料的发展却相当缓慢。因此，设计与制备高性能的负极材料是钠离子电池发展的当务之急。碳材料拥有储量丰富、成本低、环境友好、热稳定性良好、电导率高等优点，这使其成为一种极具前景的钠离子电池负极材料。然而，商业中最为广泛应用的石墨在作为钠离子电池负极材料时表现出来的可逆容量却很低。相反，一些合成的碳材料，如硬碳、碳黑、石油焦、碳纳米线、还原氧化石墨烯、多孔碳/石墨烯复合物、香蕉皮石墨和石墨烯泡沫等则表现出较好的储钠性能。

其中，硬碳由于具有高的比容量和相对优良的循环稳定性和倍率性能而得到了广泛的关注。硬碳比容量的近40％都源于0.1V(vs Na/Na⁺)以下的嵌钠电压，如此低的电压平台使硬碳作为钠离子电池拥有较宽的电压窗口和较高的能量密度。此外，硬碳材料还具有较大的层间距，从而能表现出更好的倍率性能。与石墨化的软碳不同，硬碳呈现由石墨烯层膨胀所形成的乱层石墨结构，我们可以通过改变热处理的条件来调节乱层晶体的尺寸和层间距。同时，从根本上理解生物质衍生的硬碳并研究其储钠性能具有重大意义，因为此过程原料成本低，有利于得到大规模的应用。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种以海带为碳源制得的硬碳颗粒。

本发明还要解决的技术问题是提供上述以海带为碳源制得的硬碳颗粒的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述以海带为碳源制得的硬碳颗粒在钠离子电池负极材料方面的应用。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种以海带为碳源制得的硬碳颗粒，该硬碳颗粒中乱层晶体结构的尺寸为11.3～14.4nm，层间距为0.36～0.39nm。

上述以海带为碳源制得的硬碳颗粒的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，预处理步骤：将海带裁剪成所需大小的海带块后多次洗涤待用；

步骤2，将预处理后的海带块依次置于浓度为6M的盐酸和质量百分数为10wt％的氢氟酸中浸渍搅拌一段时间，然后再清洗、干燥处理；

步骤3，将步骤2处理后的海带块置于管式炉中，于氩气气氛下，先在30℃下保温30min，然后以5℃/min的升温速率升温至900～1600℃下热处理2h，得到所需目标产物。

其中，步骤1中，每块所述海带块的尺寸为1cm×1cm。