[发明专利]一种基于SA修饰硬碳活性材料的电极及其制备方法

说明书

一种基于海藻酸钠(SA)修饰硬碳活性材料的储能电极及其制备方法，属于电极材料技术领域。本发明对经酸洗和干燥的椰棕丝纤维进行多段加热使其分解得到具有纳米近平行多通道结构的硬碳材料，然后采用海藻酸钠对其修饰进而制备电极。经海藻酸钠修饰后的椰棕丝纤维生物质硬碳材料能够有效提高电极材料的电化学性能和循环稳定性，以此构建的钠离子电池具有高达344mAhg‑1的可逆放电比容量和高达86％的首圈库伦效率，100圈循环保持率达到94.3％，200圈循环保持率82.6％，电化学性能非常优异。此外，本发明采用价格低廉、来源广泛的废弃椰棕丝纤维作为原料，顺应节能、环保的发展趋势，同时也带来良好的经济效益，并且制作流程简单，能耗较低，可重复性强，有利于实现规模工业化生产。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种基于海藻酸钠(SA)修饰硬碳活性材料的储能电极及其制备方法。

背景技术

硬碳材料是一种区别于软碳材料的无定型碳，硬碳材料相比软碳材料更不易随热解温度升高而石墨化。这就意味着石墨微晶排列更加杂乱、无序，并且硬碳的无序结构使其拥有更多的缺陷、空位，即具有更多的活性位点；同时，硬碳材料的层间距比石墨大，更适于储钠。因此，硬碳材料作为钠离子电池的负极材料呈现出高比容量、高储钠电压等优势，在储能领域具有良好的应用前景，被看作是最有希望推动钠离子产业化的关键负极材料。

现有技术中已经报道将生物质作为前驱体制备硬碳材料。因为生物质通常具备价格低廉、原料广泛等特点，故而，生物质硬碳材料不仅降低了生产成本，同时也做到了资源合理利用，变废为宝，符合国家提倡的绿色环保政策。然而，现有的生物质硬碳材料作为钠离子电池负极应用的比容量和首圈库伦效率仍然有待提高。例如采用胡桃壳制备的硬碳能提供257mAhg-1的容量和66.3％的首圈库伦效率；热解泥煤苔制备的硬碳表现出298mAhg-1的容量和57.5％的首圈库伦效率。为了解决上述问题，近年来大量的工作集中在材料本身，期望通过改进材料结构来提升高比容量负极性能和电化学循环稳定性。然而，很少有研究关注充放电过程中电极结构变化对其储能性能的影响。实际上，控制电极结构并使其保持稳定对于循环性能的提升十分关键。电极除了活性材料本身外还包括粘结剂、导电剂和集流体等，其中粘结剂主要起到连接活性物质、导电剂形成混合浆料并将所述混合浆料黏附在集流体上，形成完整电极结构的作用。因而，研究粘结剂修饰作用并发展得到改善电极的电化学性能具有重要意义。

发明内容

针对现有生物质硬碳材料容量和循环稳定性欠佳的问题，本发明提供了一种基于海藻酸钠(SA)修饰硬碳活性材料的储能电极及其制备方法。本发明通过SA和椰棕丝纤维生物质硬碳材料之间的协同作用，明显提高了电化学储能器件的比容量和首圈库伦效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于海藻酸钠修饰硬碳活性材料的电极，所述电极包括电极活性材料、导电剂、粘结剂和集流体，其特征在于，所述电极活性材料为具有纳米近平行多通道结构的椰棕丝纤维生物质硬碳材料，所述粘结剂为海藻酸钠。

进一步地，所述椰棕丝纤维生物质硬碳材料采用如下方式制备：

首先对椰棕丝纤维进行酸洗，经分离、干燥得到酸洗产物；然后将所述干燥产物在惰性气氛下进行多次热解得到热解产物，热解次数为2～4次，热解总时长为3～6小时，其中完成一次热解后待产物冷却后再进行下一次热解，两次热解操作之间经过球磨处理进行粉粹混料；最后对所述热解产物进行酸洗，经分离、干燥得到椰棕丝纤维生物质硬碳材料。

一种基于海藻酸钠修饰硬碳活性材料的电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：对椰棕丝纤维进行酸洗，经分离、干燥得到干燥产物；

步骤B：将步骤A得到的干燥产物在惰性气氛下进行多次热解得到热解产物；其中完成一次热解后待产物冷却后再进行下一次热解，两次热解操作之间经过球磨处理进行粉粹混料；