[发明专利]一种钠离子电池硬炭负极材料的制备方法

说明书

本发明属于钠离子电池技术领域，提供了一种钠离子电池硬炭负极材料的制备方法，经过除灰过程、炭化过程制备出低比表面积、纯净的硬炭负极材料。本发明使用的原料，循环利用，绿色环保。本发明所提供的方法，工艺简单并且拥有工业化实施经验，可满足工业大批量生产的需要。本发明得到的钠离子电池负极材料具有较低的比表面积和较大的炭层间距。本发明所使用的咖啡渣炭的容量高，首效高，倍率性能强。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及一种从咖啡渣为原料的高首效和高容量的钠离子电池硬炭负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具备能量密度大、寿命长以及自放电小等优点，已被广泛应用于小型储能领域，但锂资源的匮乏和分布不均等问题会限制锂电池在大规模储能领域的进一步应用。而钠资源丰富且分布广泛，使得钠离子电池成本低廉，被认为是极具前景的规模化储能技术之一。目前锂离子电池的常规负极材料为石墨，但是钠离子半径比锂离子大，无法嵌入石墨中，所以钠离子电池的负极只能选择层间距更大的材料。其中硬炭材料具有大量无定形结构，层间距大(d₀₀₂0.37nm)，适合作为嵌钠材料。同时硬炭丰富的孔隙和较大的比表面积可以提供高嵌钠容量，但也导致硬炭材料的首次库伦效率低下(70％)，无法实际应用。因此寻找一种高容量和高首效兼备的硬炭材料是钠离子电池硬炭负极实用化的关键。

硬炭的炭化工艺分为活化法和高温炭化法。活化法制备出的硬炭材料有大比表面积，多孔隙的特点，应用于钠离子电池时往往会导致首效偏低的问题，不利于商业化。高温炭化法为目前钠离子电池主要生产厂商(中科海钠、星空钠电)的通用制备方法，制备出的硬炭材料石墨化度高，比表面积小，应用于钠离子电池时首效高。目前中科海钠的负极材料炭源为无烟煤与生物质的混合物，炭收率高但是材料的容量低。星空钠电的负极材料炭源为农作物秸秆，材料的容量高但是炭收率低，并且无法保证每批原料的均一性。因此寻找一种量大且能持续供应，成炭后容量高的生物质原料可以有效降低钠离子电池的成本。

咖啡是世界上消费量最大的饮料之一，也是继石油之后的第二大贸易商品。目前全球每年产出近800万吨咖啡渣。其中绝大部分来源于具有严格生产工艺的咖啡厂，这保证了咖啡渣来源的稳定性以及其组成结构的均一性。相比之下其他的生物质热解炭受限于季节和产地，无法满足工业化生产的需求。专利(CN106784832A)报道了一种以咖啡渣为原料,采用活化法制备的多孔炭材料，并将其用作钠离子电池负极材料。该专利描述的材料具有大量的介孔，比表面积为96m²/g,并且含有大量未除去的金属杂质，使得该材料首效低并且重复性差。而本专利所制备的材料比表面积低，并且经过了除灰工艺，材料纯净。因此用作钠离子电池负极材料时，首次库伦效率高，容量高，并且重复性好。

发明内容

本发明针对目前钠离子电池负极材料的容量低以及首次库伦效率低的缺陷，制备了一种高性能的硬炭材料。使用的原料咖啡渣为咖啡豆处理后的废弃物残渣。成品硬炭材料通过除灰、炭化两步制备而成。该方法操作简单，绿色环保，通过这种方法制备出的钠离子电池硬炭负极拥有高容量、高首效、优异的倍率性能和稳定的循环性能，有望实现低成本、长寿命且高安全性的大规模实际应用。

本发明的技术方案：

一种钠离子电池硬炭负极材料的制备方法，经过除灰过程、炭化过程制备出低比表面积、纯净的硬炭负极材料；

步骤1、将咖啡渣置于酸性溶液处理后，水洗至中性，得到前驱体；

步骤2、将步骤1中得到的前驱体放入惰性气氛的炭化炉内，在950℃-1800℃温度下热处理0.5-6小时，即得到钠离子电池硬炭负极材料。

所述的咖啡渣为咖啡豆经过处理后得到的废弃物残渣。

步骤1中的咖啡渣在酸性溶液处理前，先粉碎至50-300目。

步骤1中的咖啡渣在酸性溶液处理前，先经过去离子水洗涤和干燥。