[发明专利]钠离子电池用高容量生物质硬炭负极材料的制备方法

说明书

本发明涉及二次电池技术领域，具体地说是一种钠离子电池用高容量生物质硬炭负极材料的制备方法，其特征在于，采用如下处理步骤：将生物质原料粉碎筛分得到前驱体粉体；再加入脱水剂混合均匀得到混合料并进行脱水固化反应；将固化后的生物质前驱体与改性剂混合，并以水为分散剂进行液相混合，然后进行干燥处理，得到改性生物质前驱体；再依次进行预碳化处理、碳化处理。本发明同现有技术相比，采用淀粉为原料，经固化处理，有效避免淀粉高温融并糊化的问题，固化后的淀粉颗粒再经掺杂修饰处理，改变了硬炭表面化学环境和内部结构，有效提高了生物质硬炭负极材料的电化学性能；采用固化反应处理也显著提高了硬炭收率。

技术领域

本发明涉及二次电池技术领域，具体地说是一种钠离子电池用高容量生物质硬炭负极材料的制备方法。

背景技术

随着社会的发展和全球能源需求的不断提高，化石能源消费所带来的资源匮乏和引起的环境问题日益突出。显然，从社会的可持续发展角度看，大力开发和利用可再生能源，逐步摆脱人类对化石能源的依赖显得尤为必要。然而，可再生能源的利用需要开发配套的储能设施来保证用电的连续性和稳定性。而目前的二次电池技术，由于具有灵活、高效和无地域限制等优点，是当前最有可能应用于大规模储能装置的技术方案。

目前二次电池技术中，锂离子电池发展较为成熟，应用也很广泛。但受锂资源的限制，其无法支撑起未来大规模储能电源的发展。而与锂处于同一主族的钠元素，两者化学性质相似，电极电势也比较接近，并且钠的资源丰富，提炼成本低，发展钠离子电池技术已成为当前储能领域研究的热点。

探寻高容量及循环性能优异的储钠负极材料是发展新一代钠离子电池的关键。目前对于嵌钠负极材料研究相对较少，主要是限制于具有良好脱嵌锂性能的石墨材料层间距较小，无法满足较大离子半径钠离子的有效嵌入和脱出。因此，要实现可逆钠离子嵌入和脱出，制备具有较大层间距的炭材料是关键。

硬炭材料具有不发达的石墨网平面，微晶宽度La较小，层间距(d002)大，使得硬炭适合作为嵌钠材料，同时硬炭较多的孔隙结构也为钠的存储提供了良好的场所，具有较高的嵌钠容量，并且具有良好的循环和倍率性能。根据原料的不同，硬炭可以分为生物质硬炭(如糖类、椰壳等)、矿物质硬炭(如煤焦油、石油渣油等)和合成聚合物硬炭(如酚醛树脂、环氧树脂等)。其中，生物质硬炭因具有原料来源广泛、成本低廉以及可再生等优点而引起研究者们的广泛关注。公开号为CN102364727的中国专利将淀粉基硬炭微球镶嵌到膨胀石墨空隙中，以膨胀石墨为立体空间导电网络，提高了硬炭的电子传导能力，形成的复合材料在0.1C时放电容量为440-530mAh/g，且首次效率为77～85％，但其过程工艺繁琐，成本较高。公开号为CN105633380A的中国专利以淀粉为原料，经淀粉酶、糖化酶、脱水催化剂作用后碳化得到淀粉基多孔硬炭材料。与未经酶化淀粉相比，酶化多孔硬炭0.1C储锂首次可逆容量由305mAh/g提高到了454mAh/g，首次库伦效率虽然由42.8％提高至了66.6％，但首效水平仍较低，且其工艺处理过程长，稳定性难以保证，不适合大规模生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，同样采用生物质为原料，提供一种具有杂元素掺杂的热解生物质硬炭，这种生物质硬炭由于杂元素掺杂能够调节炭层间距和改变化学环境，用于钠离子电池时适合钠离子的嵌入和脱出，其通过简单易操作的工艺制备出一种特别适合作为钠离子二次电池的负极材料的综合性能较优的硬炭负极材料，降低了生物质硬炭的生产成本。

为实现上述目的，设计一种钠离子电池用高容量生物质硬炭负极材料的制备方法，其特征在于，采用如下处理步骤：

(1)、制备前驱体粉体：将生物质原料粉碎筛分至2～50μm，得到前驱体粉体；所述的生物质原料为淀粉类物质；

(2)、脱水固化：前驱体粉体中加入脱水剂混合均匀得到混合料，以100～250℃进行脱水固化反应4-8小时；所述前驱体粉体与脱水剂的质量比为1∶0.05-0.25；所述脱水剂为氯化铵、过硫酸铵、浓硫酸、硝酸、双氧水中的1种或2种；