[发明专利]一种大层间距单分散纳米硬碳材料、合成方法及其应用

说明书

本发明公开了一种大层间距单分散纳米硬碳材料、合成方法及其应用，所述合成方法包括以下步骤：(1)将木糖溶解于去离子水，搅拌至均匀，配置浓度为0.3‑1.5M的溶液，并将该溶液加热到160～200℃进行脱水缩合反应；(2)将步骤(1)得到的材料进行离心清洗，真空干燥；(3)将步骤(2)得到的材料在高温炉中保护气氛下进行高温碳化；温度为900～1500℃，碳化时间为2～5h，升温速率为2～8℃/min；得到大层间距单分散纳米硬碳材料。该硬碳材料用于钠离子电池显示出优异的电化学性能，具有非常好的商业化前景，非常适合应用于大规模储能系统。

技术领域

本发明总体涉及纳米硬碳材料，具体涉及一种大层间距单分散纳米硬碳材料、合成方法及其应用。

背景技术

在碳达峰碳中和的战略之下，实现清洁能源太阳能、风能、水能等的有效利用的新型能源系统如何构建引发广泛关注。大规模储能技术是实现智能电网系统应用及普及所需的核心技术之一，目前以基于锂离子电池的电化学储能技术最受关注。近年来，锂离子电池在动力电池领域，3C领域等应用需求逐渐快速增长，但锂资源在地壳中储量并不丰富，而且中国的锂80％以上需要依赖进口，这非常不利于保障中国的能源安全。此外不丰富的锂资源使得基于锂离子电池的储能系统几乎没有降本空间。作为锂离子电池的有效替代和补充，钠离子电池因具有资源丰富，价格低廉的优势是未来智能电网储能技术的重要选择。

钠元素作为与锂同族的元素，与锂有着相似的物理化学性质。与锂离子电池相似，钠离子电池也是由正负极，电解液等关键材料组成。要满足大规模储能应用的需求，合理的钠离子电池应具有高安全、低成本、长寿命等特性，而这些关键材料是决定钠离子电池性能能否达到需求的关键因素，所以对关键材料的研发对推动钠离子电池市场化至关重要。合适的负极材料是发展钠离子电池的关键之一。

锂离子电池商用化的石墨负极由于在酯基电解液中无法与钠离子形成热力学稳定化合物而无法应用。虽然后来发现醚基电解液中溶剂化钠离子可以共嵌到石墨中贡献容量，但是只有150mAh/g左右的比容量，这非常不利于发展高能量密度的钠离子全电池。硬碳材料由于具有较石墨更大的碳层间距，丰富的微孔和缺陷位点，可以提供丰富的储钠活性位点，能够提供＞300mAh/g的比容量，被认为是最有希望商业化的钠离子电池的负极材料。尤其是基于生物质原材料的硬碳成本低廉，绿色环保，近年来受到了广泛关注。一系列利用橘子皮、香蕉皮以及海藻等生物废弃物作为碳源制备的生物质硬碳被广泛的报道，但是基于这种生物废弃物制备的硬碳材料碳产率非常低(通常低于10％)，而且制备的硬碳状态非常依赖原材料的状态，一致性难以保障，且首周库伦效率往往较低(通常低于60％)，倍率性能和循环寿命通常也较差，难以满足钠离子电池商业化的要求。当前国内尚无或少有商用化的高端硬碳材料供应企业，国外日本个别企业拥有比较高端的硬碳材料，但价格昂贵，且属于特种新能源战略需求材料不允许出口，因此亟需探索其他的一些合成方法简单，一致性可控，成本低廉且储钠性能优异的硬碳材料来满足国内发展钠离子电池的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有大层间距单分散形貌的纳米硬碳材料的合成方法及其应用。本发明制备的硬碳材料具有平均粒径200nm左右的单分散的球形形貌，较低的比表面积，丰富的微孔，和大的层间距，拥有优异的电化学性能，是一种非常有商业化前景的金属离子电池负极材料。且提供的制备工艺简单，适合规模化生产。

根据本发明的第一方面，提供一种具有大层间距单分散形貌的纳米硬碳材料的合成方法，包括以下步骤：

(1)将木糖溶解于去离子水，搅拌至均匀，配置浓度为0.3-1.5M的溶液，并将该溶液加热到160～200℃进行脱水缩合反应；

(2)将步骤(1)得到的材料进行离心清洗，真空干燥；

(3)将步骤(2)得到的材料在高温炉中保护气氛下进行高温碳化；温度为900～1500℃，碳化时间为2～5h，升温速率为2～8℃/min；得到大层间距单分散纳米硬碳材料。