[发明专利]一种稻壳衍生硬碳的制备方法及其所得材料和应用

说明书

本发明提供一种以废弃生物质稻壳制备稻壳硬碳衍生材料的方法及其所得材料和应用，其中的方法包括：将稻壳依次用盐酸和氢氟酸洗涤，真空干燥后，将所得产物在氩气气氛下碳化，得到稻壳衍生硬碳。本发明还提供由该方法制得的稻壳衍生硬碳作为钠离子电池负极材料的应用。本发明以稻壳为原料，工艺简单，原料绿色环保，可重复性强，适合于批量生产，制得的硬碳材料具有优异的电化学性能，可作为理想的钠离子电池负极材料应用于钠离子电池。

技术领域

本发明一种稻壳衍生硬碳的制备方法及其所得材料和应用，属于电极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池由于功率密度大和循环寿命长的优势已经被广泛应用于能源存储系统中，在电动车和便携式电子产品领域中占据主导性地位。但是由于锂资源的分布不均匀性和稀缺性，限制了锂离子电池在大规模电力存储方面的应用。金属钠与金属锂具有相似的物理和化学性质，钠资源分布广泛且价格低廉，这些优势使得钠离子电池非常适合于大规模能源储存。目前，已经研发出许多钠离子电池正极材料，但是发展一种适合于钠离子电池实际应用的负极材料仍然面临着许多挑战。

碳材料具有良好的导电性能和结构稳定性，已在钠离子电池负极材料中得到大量研究。我国是农业大国，稻壳产量大，但稻壳作为一种农业生产废弃物并没有得到很好的利用。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种绿色环保、工艺简单的制备硬碳材料的方法，并提供一种具有优异的电化学性能的钠离子电池负极材料。

技术方案：为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种稻壳衍生硬碳的制备方法，包括以下步骤：

1)将稻壳浸于盐酸中，搅拌一定时间，沥干盐酸；

2)将盐酸洗过的稻壳浸于氢氟酸中，搅拌过夜，沥干氢氟酸；

3)用蒸馏水超声洗涤，鼓风干燥，然后真空干燥；

4)将步骤3)所得产物在Ar气氛下碳化，即得所述稻壳衍生硬碳。

步骤1)和2)中所述盐酸和氢氟酸的用量均为大大过量，保证稻壳中的杂质离子能完全除去。

步骤1)中所述搅拌的时间为6～8h。

步骤3)中，所述超声洗涤时间为每次5～10min，洗涤3～5次。

步骤3)中，所述鼓风干燥时间为12～15h，干燥温度为70℃；真空干燥时间为12～15 h，干燥温度为120℃。

步骤4)中，所述碳化是将步骤3)所得产物置于管式炉中，使管式炉以2～5℃/min的速率升温至1100，1300或1500℃后保持1～2h。

本发明还提供了上述制备方法所制得的稻壳衍生硬碳，以及其作为钠离子电池负极材料的应用。

本发明最后提供了包含所述稻壳衍生硬碳的钠离子电池负极材料。

本发明利用稻壳作为前驱体，经过酸处理和热解过程，制备几种稻壳衍生硬碳材料，并研究其储钠性能。通过实验发现稻壳衍生硬碳在作为钠离子电池负极材料时具有“可呼吸式”结构，储存钠的可逆比容量高，是一种高性能的钠离子电池负极材料。

本发明方法以自然界广泛存在的稻壳为原料，将稻壳用酸处理后，干燥，然后碳化得到稻壳衍生硬碳。采用X射线粉末衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)测试所得稻壳衍生硬碳材料的成份；利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察所得稻壳衍生硬碳的尺寸、形貌和微结构等。结果表明，所述稻壳衍生硬碳材料表面光滑。