[发明专利]一种利用含碳生物质壳制备的硬碳前驱体、硬碳/石墨复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种利用含碳生物质壳制备的硬碳前驱体、硬碳/石墨复合材料及其制备方法和应用。所述硬碳前驱体通过如下步骤制备得到：S1：向酸性溶液中加入含碳生物质壳粉末，于100~180℃密闭环境下进行微波水热反应，洗涤，除杂后即得硬碳前驱体。本发明在微波条件下利用酸性溶液对生物质进行处理，在不破坏材料的自然结构的情况下得到硬碳前驱体，其首次效率得到较大提高。利用该硬碳前驱体制备得到的硬碳/石墨复合材料兼具石墨和硬碳材料的优异性能，具有首次效率高，循环性能优良，比容量高，大倍率下的倍率性能好等优点；制备方法工艺简单，操控方便，原料价格低廉，来源丰富，设备投入小，能量消耗低，有利于大规模生产，实用性高。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种利用含碳生物质壳制备的硬碳前驱体、硬碳/石墨复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有优异的性能，如工作电压高、比能量高、循环性能好、无记忆效应等优点。其中锂离子电池的负极材料又是影响电池性能的关键因素，尤其是影响电池的循环、倍率等性能。锂离子电池的负极材料主要是石墨（改性天然石墨、人造石墨），原因在于其导电性好，可逆比容量高，但石墨材料的结构稳定性差，与电解液的相容性差，并且锂离子在其有序层状结构中的扩散速度慢，导致该材料不能大倍率地充放电。同时，随着便携式电子产品小型化发展及锂离子电池在航空、军事及汽车产业中的需求日益旺盛，电池的容量及能量密度也亟待大幅度提高。因此，人们对新型高比容量、长循环寿命的负极材料寄予厚望。

硬碳属于非石墨化碳，结构特征可以概括为短程有序而长程无序，主要认为结构包括任意分散的、小的乱层石墨纳米晶体，弯曲的石墨片层，以及存在于前两种结构类型之中的空洞结构。硬碳是高分子聚合物的热解碳，其难以被石墨化，它具有相互交错的层状结构，从而使得锂离子可以从各个角度嵌入和脱出，大大提高了充放电的速度，使硬碳具有优异的倍率和循环性能以及低温性能。但是其具有可逆容量低、首次效率低和放电电压低等缺点。硬碳材料常见的来源分为化石燃料残余物和农/林产品废弃物/副产物等，其中后一种来源属于生物质来源，目前以环境友好性、成本低等特点，成为制备硬碳材料的关注焦点。

因此，开发一种首次效率高，倍率性能、循环性能以及低温性能优异的负极材料具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中石墨稳定性和倍率性能不佳，硬碳材料可逆容量低、首次效率低和放电电压低的缺陷和不足，提供一种利用含碳生物质壳制备的硬碳前驱体。本发明在微波条件下利用酸性溶液对生物质进行处理，在不破坏材料的自然结构的情况下得到硬碳前驱体，其首次效率得到提高。将其制备成硬碳/石墨复合材料具有优异的倍率和循环性能。

本发明的另一目的在于提供上述硬碳前驱体在制备负极材料中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种硬碳/石墨复合材料。

本发明的另一目的在于提供上述硬碳/石墨复合材料在制备锂离子电池负极中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用含碳生物质壳制备的硬碳前驱体，所述硬碳前驱体通过如下步骤制备得到：

S1：向酸性溶液中加入含碳生物质壳粉末，于100~180℃密闭环境下进行微波水热反应，洗涤，除杂后即得硬碳前驱体。

现有技术中，一般利用碱对生物质进行处理，但该处理方式具有反应仅在表面反应且容易破坏生物质材料的自然结构和首次效率低等的缺点。本发明的发明人经过多次尝试发现，在微波条件下利用酸性溶液对生物质进行处理，可使材料的首次效率得到提高；其中，酸性溶液可不破坏材料的自然结构，微波条件可使反应温度均匀、反应时间短、加热效率高和高效节能的优点，最终得到的硬碳前驱体首次效率高；利用该硬碳前驱体与石墨进行复合得到的硬碳/石墨复合材料具有优异的倍率和循环性能。

更为具体地，所述步骤S1包括以下步骤：