[发明专利]钠离子电池生物质硬碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钠离子电池生物质硬碳负极材料及其制备方法，以木材作为生物质碳源，用去离子水进行超声洗涤，烘干得到生物质前驱体，预碳化后与杂原子有机化合物进行球磨处理，混合物进行高温碳化处理后通过酸洗、烘干后得到杂原子掺杂生物质衍生硬碳材料。通过采用球磨的方法使得硬碳前驱体材料与杂原子有机化合物充分混合均匀，有利于材料热解碳化过程中的充分反应；杂原子掺杂能够提供更多的活性位点，有利于提高硬碳材料的储钠性能；多种杂原子共掺杂能够产生协同作用，明显改善材料电化学性能；降低热解碳化过程中的升温速率，减少硬碳材料的表面缺陷，降低材料的不可逆容量，有效提高材料的容量和首次库伦效率。

技术领域

本发明属于钠离子电池电极材料制备领域，特别涉及一种钠离子电池生物质硬碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其具有的高能量密度和长循环寿命等优点成为主要的电化学储能设备之一，广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和可再生资源储能等领域。然而，受到锂资源匮乏、成本高等因素限制，导致锂离子电池在某些大型储能系统的发展应用受到阻碍，因此开发新型绿色环保的能量转换方法和储存技术显得尤为重要。在各种新型能源储能系统中，钠离子电池具有生产成本低、安全性高、元素储量丰富等优势，同时钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理，钠离子电池被认为是一种理想的新型能源储能器件。

硬碳材料具有较大的层间距和比表面积，其表现出高容量量和低电位等优势引起研究人员的广泛关注，被认为是最有前景的钠离子电池负极材料之一。生物质材料作为硬碳材料的前驱体之一，具有天然微观结构并富含碳元素，其衍生碳材料具有层间距大，无序化程度高，具有丰富的活性位点，且由于其具低成本，可再生，绿色环保等优点引起广泛的关注，被视为可靠的大规模碳源。

在硬碳材料研究报道中，杂原子掺杂被认为是一种可以有效改善钠离子电池硬碳负极材料电化学性能的有效方法。华东师范大学的严等利用燕麦作为碳源和氮源，通过简单的水热方法制备氮掺杂碳微球，具有较高的可逆比容量以及良好的循环稳定性，在10A/g的电流密度下循环12500次后仍具有104mA h/g的可逆比容量。南京师范大学的王等通过利用莲花叶柄作为碳源和氟源，通过在氩气保护下高温碳化的方法制备出氟掺杂硬碳材料，在50mA/g的电流密度下显示出230mAh/g的初始充电比容量，具有优异的循环稳定性。华中科技大学的金等通过一步热解法成功制备氮硫共掺杂硬碳材料，氮硫共掺杂的电化学性能优于单一杂原子掺杂，在1A/g的电流密度下循环2000次仍具有223mA h/g的电化学性能，具有优异的倍率性能和循环稳定性。

目前，关于杂原子有机化合物掺杂硬碳材料的方法大多集中于水热法和一步热解法等方法，大多数掺杂后的材料虽然可以明显改善材料的电化学性能，但仍存在容量不够高和首次库伦效率较低等问题，因此提高材料的容量和首次库伦效率成为硬碳材料关键性问题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钠离子电池生物质硬碳负极材料及其制备方法，至少达到进一步提高材料的容量和首次库伦效率的目的。

根据本发明的一个方面提供的钠离子电池生物质硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤。

步骤一，将生物质原料置于超声波清洗机中超声洗涤，接着抽滤后干燥，得到生物质前驱体；

步骤二，将获得的生物质前驱体转移至马弗炉中，在空气的气氛下热解预碳化，自然降温冷却后放置于粉碎机中，粉碎至粉末状，得到预碳化产物；

步骤三，将预碳化产物与杂原子有机化合物按比例混合均匀，将获得的混合物置于行星式球磨机中,球磨均匀后得到杂原子掺杂硬碳前驱体；

步骤四，将步骤三获得的杂原子掺杂硬碳前驱体转移到高温管式炉中，在惰性气体的保护下高温碳化，自然降温冷却后放置于酸性溶液中浸泡，用去离子水和乙醇洗涤至中性，将得到的产物放置于真空干燥箱中真空干燥，得到杂原子掺杂生物质衍生硬碳材料。