[发明专利]一种生物质衍生富氧硬碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种生物质衍生富氧硬碳材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、原料预碳化；步骤二、高温烧结；步骤三、机械化学处理；步骤四、球磨产物清洗；步骤五、干燥。本发明通过干冰辅助的机械球磨工艺制备氧官能团定向改性的富氧硬碳材料，其中，在球磨珠碰撞对碳颗粒起到破碎作用，增加比表面积的同时，二氧化碳攻击硬碳结构中的活性位点，在碳结构边缘或基面处反应形成羧基基团；外加化学物质辅助的球磨法易于放大生产，具有更好的商业前景和应用潜力。本发明所制备材料的氧含量最高可达19.33%，并在钠离子电池负极中中展现出优异的性能。

技术领域

本发明涉及一种碳基材料的制备方法及其应用，具体涉及一种以结合物理作用和化学反应的简单机械化学方法为核心手段的富氧硬碳的制备方法及其在钠离子电池负极中的应用。

背景技术

由于钠离子具有与锂离子相似的理化性质和丰富的地壳储量，钠离子电池被认为是电网级大规模储能系统中最具应用潜力的储能器件。目前负极材料可逆容量和循环稳定性远不如正极材料，因此，寻找合适负极材料、提高其可逆容量有助于推动钠离子电池产业化发展。碳基负极材料得益于其成本低廉、易于制备、环境友好等特点受到研究者的广泛关注，石墨烯衍生物、软碳、硬碳等碳基材料得到不同程度的发展。

扩大石墨烯层间距、引入N、S、P 等杂原子、修饰含氧官能团是提高碳材料储钠可逆容量的三类重要手段。目前已有多位研究者通过强酸氧化等手段引入羰基、环氧基及羟基等多种含氧官能团用于改善碳结构储钠性能，但为获得丰富的含氧结构，常常需要使用一种或多种强酸溶液，增加了环境保护的困难。近年来兴起的机械化学方法通过简单、可放大的球磨工艺在石墨烯边缘选择性修饰羧基、羟基、氨基等活性基团，在提高碳负极储钠容量具有巨大应用潜力。

发明内容

本发明针对传统钠离子电池负极用碳材料可逆容量低的问题，提供了一种生物质衍生富氧硬碳材料的制备方法及其应用。本发明利用兼具物理冲击和化学反应的机械化学方法，定向改性硬碳材料中的含氧官能团，获得高羧基含量的生物质衍生硬碳材料。本发明所制备材料的氧含量最高可达19.33%，并在钠离子电池负极中展现出优异的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种生物质衍生富氧硬碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、原料预碳化

将生物质原料置于气氛炉内，将气氛炉升温至200~450℃，得到预碳化产物，其中：所述生物质原料为纤维素或木质素中的一种或两种按任意比例的混合物；所述气氛炉内的气氛为高纯氮气或氩气气氛；所述气氛炉的升温速率为0.1~10℃ min^-1；

步骤二、高温烧结

将步骤一获得的预碳化产物置于气氛炉内，将气氛炉升温至800~1200℃并保温0.5~5h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到热解产物，其中：所述气氛炉内的气氛为高纯氮气或氩气气氛；所述气氛炉的升温速率为0.1~10℃ min^-1；

步骤三、机械化学处理

取出步骤二气氛炉内的热解产物并置于行星球磨机的球磨罐中，球磨12~48h，得到球磨产物，其中：所述球磨转速为300~500rpm；所述球磨罐内加有干冰，干冰和热解产物的质量比为1：0.1~50；所述球磨罐的材质为玛瑙或不锈钢；

步骤四、球磨产物清洗

将球磨产物依次进行酸洗处理2~3次和水洗处理2~6次，其中：所述酸洗处理使用的酸洗液为稀盐酸；所述酸洗液的浓度为0.5~2mol/L；

步骤五、干燥