[发明专利]钠离子电池用元素掺杂生物质硬碳负极材料、制备方法及钠离子电池

说明书

本发明公开了一种钠离子电池用元素掺杂生物质硬碳负极材料、制备方法及钠离子电池，涉及钠离子电池技术领域，其制备方法包括以下步骤：将生物质原料清洗、干燥，粉碎，得生物质固体粉末；将生物质固体粉末加入到硝酸中，水浴加热，自然冷却至室温，过滤，水洗至中性，干燥，得纯化品；将纯化品和含掺杂元素的原料进行混合，预干燥，然后在保护气体气氛下进行升温煅烧，保温，自然冷却至室温，得粗产物；所述含掺杂元素的原料为硼源、硫源、磷源和氮源中的一种或几种；将粗产物清洗至中性，干燥，即得。本发明制备的元素掺杂生物质硬碳负极材料储钠容量高，表现出优异的倍率性能和循环性能，且原料来源广泛、成本低廉，制备工艺简单。

技术领域

本发明涉及钠离子电池技术领域，尤其涉及一种钠离子电池用元素掺杂生物质硬碳负极材料、制备方法及钠离子电池。

背景技术

近年来，能源和环境问题已经成为制约人类社会发展的瓶颈性问题。一方面传统化石能源的过度消耗已逐渐无法满足人类社会日益增加的能源需求，另一方面随之而来的环境问题也逐步成为阻碍社会进步的难题。因此，促进绿色新能源的开发与应用成为主流。

随着科技发展和人类社会进步，人类对便携性电子设备、电动车等设备和大规模储能工程领域的需求日益增加。随着锂离子电池进入人类的视野，现已被广泛应用于各相关行业，展现出令人瞩目的前景。但是锂离子电池高昂的成本问题以及资源短缺等问题在一定程度上限制了其发展应用。钠离子电池与锂离子电池基本在同时开始被学者研究，钠资源的储量丰富，且分布均匀，已有研究证明了钠离子电池的性能可与锂离子电池相当。钠离子电池满足了当下人类对能源的需求，逐步成为热点研究。

当前，石墨已经是应用最广泛的商业化锂离子电池负极材料，但钠离子的原子半径比锂离子的原子半径大，很难进入石墨层，故石墨储钠性能较差。而硬碳材料因其比石墨的层间距更大，能够有利于钠离子的存储与脱嵌，能够在钠离子脱嵌过程中保持良好稳定性，适宜做钠离子电池负极材料。生物质硬碳材料因其来源广泛、绿色无污染和价格低廉引起了广大学者的研究。因此，有必要开发出一种成本低廉、储钠容量高、循环性能好的生物质硬碳材料。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种钠离子电池用元素掺杂生物质硬碳负极材料、制备方法及钠离子电池，制备的元素掺杂生物质硬碳负极材料储钠容量高，表现出优异的电化学性能，且原料来源广泛且成本低廉，制备工艺简单。

本发明提出的一种钠离子电池用元素掺杂生物质硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将生物质原料清洗、干燥，然后进行粉碎处理，得生物质固体粉末；

S2、将生物质固体粉末加入到硝酸中，水浴加热，然后自然冷却至室温，过滤，水洗至中性，干燥，得纯化品；

S3、将纯化品和含掺杂元素的原料进行混合，预干燥，然后在保护气体气氛下进行升温煅烧，保温，自然冷却至室温，得粗产物；所述含掺杂元素的原料为硼源、硫源、磷源和氮源中的一种或几种；

S4、将粗产物清洗至中性，干燥，即得元素掺杂生物质硬碳负极材料。

优选地，S1中，生物质原料为桃壳、稻壳、香蕉皮、瓜子壳、松果、棉花、椰壳、海藻、麦秸、海带、柳絮、花生壳、沥青、荷叶、泥炭中的任意一种或几种；优选地，干燥温度为70～100℃，干燥时间为12～48h。

优选地，S2中，硝酸浓度为4～16mol/L；优选地，生物质固体粉末和硝酸的质量比为1：(1～4)；

优选地，S2中，水浴加热温度为60℃，水浴加热时间为12～24h；优选地，干燥温度为70～100℃，干燥时间为12～48h。

优选地，S3中，预干燥的温度为70～100℃，干燥时间为12～48h。