[发明专利]一种非金属掺杂硬碳负极材料及其制备方法

权利要求书

1.一种非金属掺杂硬碳负极材料，其特征在于，所述负极材料包括碳外壳、非金属元素和硬碳，所述非金属元素掺杂在硬碳中，所述碳外壳包覆在非金属元素和硬碳外侧，所述负极材料中非金属元素的含量为5-10％，所述碳外壳占所述负极材料的含量为2-5％，所述碳外壳的厚度为20-50nm；

所述负极材料的孔隙率为20-30％，孔径为30-150nm，其中小于50nm的孔占比为10％以下，大于100nm的孔占比为60％以上；

所述负极材料的制备方法包括下述步骤：

S1：将生物质废料水洗、干燥并粉碎得到废料颗粒；

S2：将所述废料颗粒置于含非金属化合物的溶液中，在40-60℃下浸泡2-5h，过滤出所述废料颗粒后干燥，得到非金属/硬碳复合材料，所述含非金属化合物的溶液中，非金属化合物的浓度为0.1-5mol/L，所述废料颗粒与所述含非金属化合物的溶液的重量比为0.05-0.5:1；

S3：将所述非金属/硬碳复合材料粉碎，加入到有机碳源液中混合得到浆料，并对所述浆料干燥、烧结和粉碎后，得到所述负极材料，所述有机碳源溶液的浓度为1.0-2.0mol/L，所述非金属/硬碳复合材料与所述有机碳源溶液的重量比为1:5-15；

所述S3步骤中烧结为分阶段烧结，阶段I：烧结温度300-800℃，烧结时间2-3h，阶段Ⅱ：烧结温度800-1200℃，烧结时间3-6h，阶段Ⅲ：烧结时间1200-1500℃，烧结时间5-10h。

2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述非金属元素包括硅、磷、氟、氮或硫元素；

所述负极材料中非金属元素的含量为8％。

3.根据权利要求2所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料的孔隙率为25-30％，孔径为40nm-150nm，大于100nm的孔占比为70％以上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：将生物质废料水洗、干燥并粉碎得到废料颗粒；

S2：将所述废料颗粒置于含非金属化合物的溶液中，在40-60℃下浸泡2-5h，过滤出所述废料颗粒后干燥，得到非金属/硬碳复合材料，所述含非金属化合物的溶液中，非金属化合物的浓度为0.1-5mol/L，所述废料颗粒与所述含非金属化合物的溶液的重量比为0.05-0.5:1；

S3：将所述非金属/硬碳复合材料粉碎，加入到有机碳源液中混合得到浆料，并对所述浆料干燥、烧结和粉碎后，得到所述负极材料；

所述有机碳源溶液的浓度为1.0-2.0mol/L，所述非金属/硬碳复合材料与所述有机碳源溶液的重量比为1:5-15；

所述S3步骤中烧结为分阶段烧结，阶段I：烧结温度300-800℃，烧结时间2-3h，阶段Ⅱ：烧结温度800-1200℃，烧结时间3-6h，阶段Ⅲ：烧结时间1200-1500℃，烧结时间5-10h。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述非金属化合物包括正硅酸四乙酯、磷酸、膦酸、尿素、硝酸铵、硼酸、硼砂、硅酸，硅酸钠、苯磺酸、硫醇、硫酚、三氟甲磺酸三氟乙酯或三氟乙酸乙酯。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含非金属化合物的溶液中，非金属化合物的浓度为3mol/L，所述废料颗粒与所述含非金属化合物的溶液的重量比为0.3:1。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述有机碳源溶液的浓度为1.5mol/L；

所述非金属/硬碳复合材料与所述有机碳源溶液的重量比为1:10。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述负极材料中，所述碳外壳占所述负极材料的含量为3％，所述碳外壳的厚度为30-40nm。

9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述S1步骤的干燥为在大气环境中进行的干燥，所述S2步骤中干燥和所述S3步骤中的烧结均在保护气体下进行，所述保护气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种或多种。