[发明专利]聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料、制备方法及应用

说明书

本发明属于电池负极材料技术领域，公开了聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料的制备方法，包括S1、清洗破碎：将生物质原材料清洗后破碎得到前驱体颗粒；S2、高温炭化：前驱体颗粒先进行炭化、裂解反应；降温冷却后研磨为生物质硬炭粉末；S3、制成极片：将硬炭粉末与导电炭黑和羧甲基纤维素钠混合后加入去离子水搅拌，涂布于铝箔上，烘干得到硬炭材料极片；S4、化学气相沉积：将硬炭材料极片转移至充入氧化剂和聚合物单体的化学气相沉积设备的腔体内，聚合物单体在沉积温度下氧化聚合成均匀的高分子薄膜沉积于硬炭材料极片上；本发明制备得到的聚合物薄膜可以抑制电极界面的不可逆反应，减小界面阻抗，提高首次库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电池负极材料技术领域，具体为一种聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料的制备方法，还涉及一种聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料及应用。

背景技术

伴随着储能需求的日益增长，低成本储能电池技术的需求愈发紧迫，对锂资源的消耗不断增加，锂电池的社会经济价值越发升高，而且锂资源的稀缺及分布不均的问题逐渐凸显。由于钠资源成本较低且丰富，钠离子电池研究在近十年内突飞猛进，在大规模储能系统中具有广阔的前景。阻碍钠离子电池实现商业化的主要因素之一是缺乏高性能的负极材料。锂离子电池的负极材料通常采用石墨，但由于热力学限制，石墨对钠离子的存储性能较差，无法直接在钠离子电池里面应用。因此，如何获得比石墨更高容量的非石墨碳材料引起了广泛关注，在所有这些非石墨碳材料中，具有类石墨纳米域和纳米孔的硬炭材料因其低电位平台、低成本和高比容量而被认为是钠离子电池最有希望的负极材料之一。

然而，硬炭材料显示出相对较低的初始库仑效率，限制了其在钠离子电池中的实际应用。研究表明，较低的首效是因为硬炭的高比表面积和丰富缺陷，导致电解质不受控制的分解和固体电解质界面膜的持续生长。因此，通过调整硬炭和电解质之间的界面来减少电解质的不可逆分解，可以有效提高硬炭材料的首效。但现有的改性技术工艺复杂、成本高、耗时耗力，不利于大规模工业应用。因此，开发一种工艺简单、成本低廉的表面改性生物质硬炭材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明意在提供聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料、制备方法及应用，采用低成本的植物树干为生物质原材料，通过高温炭化制得硬炭材料，并使用纳米级厚度可控的化学气相沉积的方法，制备了聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料，得到的聚合物薄膜可以抑制电极界面的不可逆反应，减小界面阻抗，从而提高首次库伦效率和循环稳定性。解决了现有技术改性生物硬炭材料成本高、首次库伦效率低和倍率性能低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、清洗破碎：将生物质原材料清洗干净并机械破碎得到前驱体颗粒；

S2、高温炭化：将步骤S1得到的前驱体颗粒先在惰性气体中升温至500～700℃，保温2～5h，然后再升温至1200～1600℃保温1～10h，使材料发生炭化、裂解反应；待其降温冷却后，将材料研磨过筛得到生物质硬炭粉末；

S3、制成极片：将步骤S2得到的硬炭粉末按照一定的质量比与导电炭黑和羧甲基纤维素钠混合均匀，然后加入去离子水搅拌成浆料，涂布于铝箔上，转至真空烘箱烘干得到硬炭材料极片；

S4、化学气相沉积：将步骤S3得到的硬炭材料极片转移至化学气相沉积设备的腔体内，将聚合所需的氧化剂和聚合物单体气化引入腔体，使聚合物单体在沉积温度下氧化聚合成均匀的高分子薄膜沉积于硬炭材料极片上，即得到聚合物薄膜表面改性生物质硬炭材料。

进一步地，在S1中，所述生物质原材料为榕树、柳树、梧桐树、杨树、松树、槐树、桉树、槟榔树、椰子树、荔枝树、龙眼树、香蕉树中的一种或多种树干。

进一步地，在S2中，所述惰性气氛包括氮气、氩气、氦气中的一种；升温速率和降温速率均为1～10℃/min。