[发明专利]花椒硬碳钠/钾离子负极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种花椒硬碳钠/钾离子负极材料及其制备方法和用途，包括步骤：1、收集花椒，清洗并干燥处理；2、将处理后的花椒置于管式炉中在惰性气体保护下进行预碳化、高温碳化、及退火处理；3、退火后的花椒碳用碱液、酸液、水依次洗涤，烘干后得到花椒硬碳钠/钾离子负极材料，本发明可充分利用大量存在的火锅废弃锅底中的花椒废渣，和生产花椒时无用的花椒籽这些低成本、高含碳的物料，使花椒废渣成为合成硬碳的理想前驱体材料，本发明制备出的生物质硬碳，能有效改善钠/钾离子在负极中的脱嵌能力，具有极高的首次库伦效率(80.4％)，从而提高钠离子电池的容量，花椒废渣来源广泛、成本低廉，是传统生产硬碳前驱体材料完美的替代品。

技术领域

本发明属于储能材料及电化学技术领域，特别是一种花椒硬碳钠/钾离子负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

从上世纪90年代锂离子电池(LIB)的成功商业化大量的锂电材料被开发，锂离子电池的发展进入一个快速发展的时代。锂离子电池因其具有较高的工作电压、较高的容量、自放电小、功率性能好和循环寿命长等特点，已被广泛应用于各种电子产品中。然而，进入21世纪，由于进行大规模商业的化的离子电池导致锂资源价格的持续上涨。因此，对钠(钾)离子电池的研究又重新受到重视。金属钠，钾与锂在元素周期表中处于同一主族，三者差异较小，都具有作为摇椅式二次金属电池能力。

对于嵌钠(钾)的正极材料，迄今已有可行性的研究报道，如含钠的过渡金属氧化物和过渡金属氟磷酸钠盐。都具有良好的电压平台和低廉的价格。但对于嵌钠(钾)的负极材料的研究相对较少，主要是具有良好嵌锂行为的石墨材料层间距较小(0.335nm)，较大的钠离子无法有效的嵌入和脱嵌，而用于钾离子电池负极时，嵌入石墨的倍率性能及差。因此要实现可逆钠(钾)离子的有效嵌入和脱嵌，制备有较大层间距碳材料是关键。

无定形硬碳按照石墨化难易程度，一般分为易石墨化的软碳和难以石墨化的硬碳，而硬碳材料由于具有比容量高、储钠电压高等优点，成为了最具应用前景的钠(钾)离子电池负极材料。然而，目前生产硬碳的碳源主要是有机物，如酚醛树脂、甲醛等，成本较高，且得到的硬碳的循环性能差，倍率性能差，首圈容量较低等问题，限制了其作为钠(钾)离子电池负极材料的广泛应用。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种花椒硬碳钠/钾离子电池负极材料及其制备方法和用途。本发明提出的制备钠/钾离子电池负极材料的方法中，制备了具有微晶石墨烯堆砌的，多孔的，具有较大层间距的多孔硬碳，这种特殊的多孔-微石墨晶结构，能有效提高钠(钾)离子的脱嵌能力，提高钠(钾)离子电池的容量和倍率。

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决问题，提供一种花椒硬碳钠/钾离子负极材料及其制备方法和用途。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种花椒硬碳钠/钾离子负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、首先收集花椒，清洗并干燥处理；

步骤2、将处理后的花椒置于管式炉中在惰性气体的保护下进行预碳化、高温碳化、以及退火处理；

步骤3、退火后的花椒碳用碱液、酸液、水依次洗涤，烘干后得到花椒硬碳钠/钾离子负极材料。

作为优选方式，所述花椒为生花椒、或烹调过的花椒废料，包括花椒壳、花椒籽其中至少一种。

作为优选方式，步骤1中清洗时将花椒置于水、乙醇、甲醇、丙酮中一种或者几种混合溶液中清洗除去表面油脂，清洗液体温度为10-100℃。

作为优选方式，步骤2中预碳化前对花椒进行单独酸洗、或者单独碱洗、或者先碱洗后酸洗，碱液选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、氨水，酸液选自盐酸、硫酸、硝酸、乙酸；碱液的氢氧根浓度为0.3-1mol\L，酸液的氢离子浓度为0.5-3mol\L的，洗涤时间为1-10小时，洗涤温度为10-90℃。