硬碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电池领域，公开了一种硬碳材料及其制备方法和应用，该硬碳材料的碳层间距为0.38‑0.41nm，ID/IG为1.1‑1.5，该硬碳材料含有碳元素、氧元素和钾元素，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，钾元素的含量为0.3‑1.2重量％，硬碳材料的制备方法包括：(1)将椰壳内果皮进行预处理，以实现椰壳内果皮的脱水和软化；(2)在惰性气氛下，对步骤(1)得到的产物进行碳化；所述椰壳内果皮含有钾元素。本发明专利技术提供的硬碳材料的制备采用椰壳内果皮作为生物质原料，成本低，且处理方法简单，得到的硬碳材料电化学性能优异，非常适合应用于钠离子电池。

Hard carbon material, preparation method and application thereof

The present invention relates to the field of battery, discloses a hard carbon material and its preparation method and the application of carbon layer distance of the hard carbon material for 0.38 0.41nm, ID/IG 1.1 1.5, the hard carbon material containing carbon, oxygen and potassium, carbon and oxygen elements and total potassium 100%, the content of potassium element is 0.3 1.2 wt%, including the preparation method of hard carbon materials: (1) the coconut endocarp pretreatment, in order to achieve the coconut endocarp dehydration and softening; (2) under inert atmosphere, in step (1) the product obtained by carbonation the coconut shell; endocarp contains potassium. The invention provides a hard carbon material prepared by coconut endocarp as biomass raw materials, low cost, and simple processing method, hard carbon material has excellent electrochemical performance, very suitable for sodium ion battery.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池领域，具体地，涉及一种硬碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
能源是人类发展的物质基础，作为不可缺少的重要资源，时时刻刻影响着我们的日常生活。随着当今社会的飞速发展，对能源需求越来越大，世界能源危机日趋严峻，传统资源因大量开采而逐渐紧缺，资源的不合理及无节制地利用对环境已经产生显著影响。因此，研究出一种将化学能转化为电能并储存其电能的化学电源显得极其重要，通过这种方法，可以有效地缓解世界能源紧张和环境污染问题。20世纪80年代初,相比于传统电池，锂离子电池具有电压高、比能量大、储存寿命长等优点，成为人类生活中使用的大量便携式电子产品不可缺少的部分，随着锂离子电池利用的领域越来越广泛，在便携电子市场的需求增长迅猛使得锂矿资源蕴藏量不断减小，且锂矿资源全球分布不均且大部分位于偏远甚至极地区域开采不便，使得锂的价格不断升高，成为了批量生产锂离子电池、在储能电站中应用锂离子电池的瓶颈。钠与锂属于同一主族，对于物理和化学性质，它们具有相似性，且这些性质会影响电化学性能。并且钠储量远比锂储量丰富，地球储备资源量上具有很大的优势，价格也比较廉价，若采取大规模生产的方式可以有效地降低成本，两种电池具有相似的工作原理。同时也存在很多问题，如钠离子半径比锂离子的大，因此对材料进行脱嵌钠离子的要求会更高。具有非晶体结构的生物质硬碳材料因其具有较大的层间距离和丰富的无序结构而被认为是一个十分有潜力的钠离子电池负极材料。目前有采用树叶、海藻以及竹子作为生物质原料制备硬碳材料的报道，但不同生物质原料对硬碳材料的性能影响极大，且现有技术生物质硬碳材料的制备过程复杂，制得的硬碳材性能不稳定。因此，亟需开发出一种库伦效率高、循环性能好且制备方法简单的生物质硬碳材料。
技术实现思路
本专利技术针对现有的以生物质为原料的硬碳材料库伦效率低、循环性能差且制备方法复杂的缺陷，提供一种硬碳材料、一种硬碳材料的制备方法、以及该硬碳材料在钠离子电池中的应用。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种硬碳材料，该硬碳材料的碳层间距为0.38-0.41nm，ID/IG为1.1-1.5，该硬碳材料含有碳元素、氧元素和钾元素，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，钾元素的含量为0.3-1.2重量％。本专利技术提供了一种硬碳材料的制备方法，该制备方法包括：(1)将椰壳内果皮进行预处理，以实现椰壳内果皮的脱水和软化；(2)在惰性气氛下，对步骤(1)得到的产物进行碳化。本专利技术提供了上述制备方法制得的硬碳材料。本专利技术还提供上述硬碳材料在钠离子电池中的应用。本专利技术的专利技术人在研究中意外发现，采用椰壳内果皮作为生物质原料时，经过脱水和软化、碳化，能够得到含有钾元素，碳层间距和ID/IG较大的硬碳材料，且得到的硬碳材料的库伦效率高、循环性能好。本专利技术的专利技术人进一步研究发现，不经过活化和酸洗处理得到的硬碳材料电学性能更加优异。推测其原因可能为，不经过活化和除杂的硬碳材料的碳结构中保留了部分天然钾，钾的存在使碳层得到扩展，提供更多活性位点，能够使钠离子更好的进行脱嵌；其次，该硬碳材料很好地保持了原有结构，结构更稳固，使电池具有很好的循环性能。相反，进行活化和/或酸洗处理过的硬碳材料的电化学性能较差一些，处理后的材料比表面积会增大，随着比表面积的增大，硬碳材料的首次效率随之而减小。而目前现有技术为了使材料具有更多的孔结构及引入其他官能团或者除去生物质原料中存在的杂质，均进行活化和/或酸洗处理。本专利技术提供的硬碳材料库伦效率高且循环性能好。在优选情况下，不进行活化过程和酸洗过程得到的硬碳材料库伦效率更高且循环性能更好。本专利技术提供的硬碳材料的制备采用含K的椰壳内果皮作为生物质原料，成本低，且处理方法简单，得到的硬碳材料电化学性能优异，非常适合应用于钠离子电池。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是实施例1-4制得的硬碳材料的X射线衍射谱图；图2是实施例1-4得到的硬碳材料制得的电池在50mA/g下的循环性能图；图3是实施例3和实施例6-8得到的硬碳材料制得的电池在50mA/g下的循环性能图。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供一种硬碳材料，该硬碳材料的碳层间距为0.38-0.41nm，ID/IG为1.1-1.5，该硬碳材料含有碳元素、氧元素和钾元素，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，钾元素的含量为0.3-1.2重量％。在本专利技术中，在无特别说明的情况下，所述碳层间距根据布拉格公式：2dsinθ＝nλ计算得到，其中，θ为硬碳材料的X射线衍射谱图中左侧宽峰(002峰)对应的扫描角度的一半，n＝1，λ＝0.154，求得d即为碳层间距。在本专利技术中，ID/IG是指D峰和G峰的峰强，ID/IG越大，则硬碳材料的无序化程度越高，硬碳材料的石墨化程度越低。其中，D峰和G峰分别为Raman谱图中1350cm-1(D带)和1600cm-1(G带)左右的两个相互独立的典型碳材料特征宽峰。在本专利技术中，在无特别说明的情况下，硬碳材料中有碳元素、氧元素和钾元素的含量通过X射线能谱测得，采用购自科视达(中国)有限公司的型号为QUANTAFEG250的扫描电镜进行。需要说明的是，X射线能谱分析系表面信息的测定，本专利技术中所述碳元素、氧元素和钾元素的含量为对样品随机选择20个表面区域进行测定，求得的平均含量。本专利技术提供的硬碳材料中天然K的存在使碳层得到扩展，提供更多活性位点，能够使钠离子更好的进行脱嵌，并且本专利技术提供的硬碳材料保持了原有碳结构，这种结构更稳固，能够使电池具有很好的循环性能。为了更进一步提高硬碳材料的电化学性能，优选该硬碳材料的碳层间距为0.385-0.402nm，ID/IG为1.1-1.3，钾元素的含量为0.8-1重量％。根据本专利技术的一种优选实施方式，该硬碳材料中，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，碳元素的含量为85-92.7重量％，氧元素的含量为7-13.8重量％，进一步优选地，碳元素的含量为86.5-88重量％，氧元素的含量为11-12.5重量％。本专利技术提供了一种硬碳材料的制备方法，该制备方法包括：(1)将椰壳内果皮进行预处理，以实现椰壳内果皮的脱水和软化；(2)在惰性气氛下，对步骤(1)得到的产物进行碳化；所述椰壳内果皮含有钾元素。本专利技术对所述椰壳内果皮的来源没有特别的限定，可以通过对市购的椰子进行处理(去除果肉、果汁以及外壳)得到。对椰子的种类没有限定。如前所述，通过采用含有钾元素的椰壳内果皮制备硬碳材料，天然钾元素的存在可能能够使碳层得到扩展，提供更多活性位点，能够使钠离子更好的进行脱嵌，并且本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬碳材料，其特征在于，该硬碳材料的碳层间距为0.38‑0.41nm，ID/IG为1.1‑1.5，该硬碳材料含有碳元素、氧元素和钾元素，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，钾元素的含量为0.3‑1.2重量％。

【技术特征摘要】
1.一种硬碳材料，其特征在于，该硬碳材料的碳层间距为0.38-0.41nm，ID/IG为1.1-1.5，该硬碳材料含有碳元素、氧元素和钾元素，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，钾元素的含量为0.3-1.2重量％。2.根据权利要求1所述的硬碳材料，其中，该硬碳材料的碳层间距为0.385-0.402nm，ID/IG为1.1-1.3，钾元素的含量为0.8-1重量％。3.根据权利要求1所述的硬碳材料，其中，以碳元素、氧元素和钾元素总量为100％计，碳元素的含量为85-92.7重量％，氧元素的含量为7-13.8重量％。4.一种硬碳材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：(1)将椰壳内果皮进行预处理，以实现椰壳内果皮的脱水和软化；(2)在惰性气氛下，对步骤(1)得到的产物进行碳化；所述椰壳内果皮含有钾元素。5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述预处理的条件包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锋，白莹，刘露，吴川，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11