一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种钠离子电池负极材料用生物质榛子壳硬碳的制备方法，采用了廉价和丰富的生物质榛子壳为碳源，采用简单便捷的方法制备成钠离子电池负极硬碳材料，这能够非常有效的降低钠离子电池的成本。使用原材料榛子壳，把榛子壳粉碎，然后过筛留下小颗粒粉末，用酸浸泡处理，再在含有酸的反应釜中加热进行溶剂热反应，过滤洗涤、干燥得到处理过的前驱体；通过保护气体，对所得前驱体在管式炉中进行碳化处理，待冷却后得到榛子壳硬碳。同时，该硬碳材料具有高达90％的初始库伦效率和优异的电化学性能，拥有非常好的产业化发展前景，十分适合应用在大规模储能系统。适合应用在大规模储能系统。适合应用在大规模储能系统。

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法及其应用


本专利技术涉及一种钠离子二次电池负极材料的制备方法，具体涉及一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法。

技术介绍

锂离子电池是目前发展较为成熟的可充电电池。它不仅具有比容量高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低等特点，而且污染小，符合环保要求，能广泛应用于电动汽车、航空航天、生物医学工程等领域。然而，地球上锂矿的储量有限，分布也不均匀。随着锂离子电池的大力发展，也会使锂矿枯竭，不利于可持续发展的要求，所以如果将锂离子电池应用在大规模储能系统中可能会存在一些问题。地壳中锂的含量是0.002％，钠的含量是2.75％，钠的含量远高于锂的含量。钠作为锂的同族金属元素，不仅各项物理化学性质都与锂接近，而且资源丰富、成本低廉、环境友好，已经有研究证明钠离子性能可达到与锂离子电池相当的性能，这使得钠离子电池极有可能成为替代锂离子电池的理想储能电源。大量研究表明，储能电源性能的好坏关键在于储能密度和功率密度，而离子电池的储能密度较大程度上取决于正负极材料的比容量。然而，石墨是商业锂离子电池最常见的负极材料，对于钠离子电池，由于Na
+
半径比Li
+
大很多(0.095和0.060nm)，会在一定程度上限制其在石墨等碳负极材料中的可逆脱嵌行为。这使得它在钠离子电池中应用时容量很低，循环寿命很差。但是，硬碳应用在钠离子电池中却有客观的容量和优异的循环寿命，硬碳材料因其成本低、资源丰富、无毒、导电性好等优点，被认为是钠离子电池极具发展前景的负极材料。而榛子壳硬碳材料来源广泛、环保无污染和价格低廉已经受到许多学者的关注和研究。因此，非常有必要开发一种成本低、制作方法简便、储钠容量高的榛子壳硬碳材料。

技术实现思路

本专利技术首要目的是提供一种操作简单的制备钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的方法，制备的硬碳材料解决现有的钠离子电池首效过低的难题，它的首次充放电效率高达90％，并且它还具有较高的比容量和稳定的循环稳定性能。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：步骤一、将榛子壳用粉碎机粉碎，用筛网过筛，获得细小颗粒的榛子壳粉末。步骤二、把榛子壳粉末加入酸中浸泡，然后放入到盛有盐酸的反应釜中进行溶剂热反应，过滤洗涤至中性，冷冻干燥，获得棕色粉末。步骤三、把步骤二获得的棕色粉末在保护气氛下的管式炉中高温碳化；温度为1000
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1400℃，碳化时间为2
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5h,升温速率为1
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10℃/min；进一步地，步骤一中所用的榛子壳材料为桦木科榛属植物，包括欧洲榛、尖榛和大果榛。
进一步地，步骤一中榛子壳材料用粉碎机粉碎，用140
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200目的筛网过筛。进一步地，步骤二中酸为盐酸、磷酸的一种或者几种；溶剂热反应温度为120
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150℃冷冻干燥时间为24
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36h。进一步地，步骤三中保护气为氩气或氮气，保护气流速为100
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300sccm。优选情况下，步骤一用200目的筛网过筛得到颗粒更小的粉末。进一步地，步骤二中优选使用37％的盐酸浸泡洗涤，溶剂热反应的温度为150℃，反应时间为12h，浸泡处理过的硬碳材料提升了材料的容量和循环稳定性。进一步地，步骤三中优选碳化温度为1400℃，升温速率为3℃/min，更高的温度使得硬碳材料的石墨化程度更高，缺陷更少，从而提高电化学性能；更低的升温速率使得碳化时间更长，生物质发生热解，有利于一些杂质的去除和形成丰富的孔结构。一种钠离子电池，包括根据上述制备方法制备的硬碳负极材料所制备的负极、电解液和粘结剂，其中电解液包含选自NaClO4和NaPF6的钠盐以及选自碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的非水溶剂；粘结剂选自海藻酸钠(SA)和六氟磷酸钠(NaPF6)。根据本专利技术的钠离子电池，电解液优选为含有1M NaPF6的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，其中碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)两者体积比为1:1。根据本专利技术的钠离子电池，粘结剂优选海藻酸钠(SA),其中负极极片的获得是将上述硬碳负极材料和海藻酸钠以质量比95:5的比例均匀研磨后与溶剂(去离子水)混合后制得负极浆料，并涂覆在铜箔集流体上。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和技术效果：本专利技术制备的榛子壳硬碳材料使用榛子壳为碳源。榛子壳分布广泛而且丰富，它是日常生活中常见的生物质，它们经常被大量的废弃，所以用榛子壳作为碳源不仅成本低，而且可以有效的节约资源，避免浪费。榛子壳硬碳材料用作钠离子电池负极材料能够有效的降低电池的成本。本专利技术制备的硬碳材料具有较小的比表面积和高达90％的库伦效率，也拥有较高的容量和循环稳定性，具有良好的产业化前景。
附图说明
图1为实施例3中制备榛子壳硬碳材料的SEM图。图2为实施例1
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3中制备榛子壳硬碳材料的XRD图。图3为实施例1
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3中制备榛子壳硬碳材料的Raman图。图4为实施例1
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3中制备榛子壳硬碳材料的TEM图。图5为实施例1
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3中制备榛子壳硬碳材料的首次充放电图。图6为实施例1
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3中制备榛子壳硬碳材料的循环性能曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本专利技术，下面通过实施例对本专利技术进一步说明，实施例只用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。实施例1—种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将榛子壳用粉碎机粉碎，得到榛子壳粉末，用筛网过筛。步骤二、取榛子壳粉末放在烧杯中，然后
加入盐酸浸泡洗涤，在盛有盐酸溶液的反应釜中进行溶剂热反应，再进行过滤洗涤至中性，冷冻干燥，得到棕色粉末。步骤三、将步骤二得到的棕色粉末放入到保护气氛下的管式炉中高温碳化；在流速为200sccm氩气气氛下，温度为1000℃，保温时间为3h,升温速率为3℃/min；得到钠离子负极用榛子壳硬碳材料，标记为HS
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1000W。实施例2一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将榛子壳用粉碎机粉碎，得到榛子壳粉末，用筛网过筛。步骤二、取榛子壳粉末放在烧杯中，然后加入盐酸浸泡洗涤，在盛有盐酸溶液的反应釜中进行溶剂热反应，再进行过滤洗涤至中性，冷冻干燥，得到棕色粉末。步骤三、将步骤二得到的棕色粉末放入到保护气氛下的管式炉中高温碳化；在流速为200sccm氩气气氛下，温度为1200℃，保温时间为3h,升温速率为3℃/min；得到钠离子负极用榛子壳硬碳材料，标记为HS
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1200W。实施例3一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将榛子壳用粉碎机粉碎，得到榛子壳粉末，用筛网过筛。步骤二、取榛子壳粉末放在烧杯中，然后加入盐酸浸泡洗涤，在盛有盐酸溶液的反应釜中进行溶剂热反应，再进行过滤洗涤至中性，冷冻干燥，得到棕色粉末。步骤三、将步骤二得到的棕色粉末放入到保护气氛下的管式炉中高温碳化；在流速为200sccm氩气气氛下，温度为1400本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将榛子壳用粉碎机粉碎，得到粉末，用筛网过筛。步骤二、取榛子壳粉末放在烧杯中，然后加入酸浸泡洗涤，过滤，放入含酸的反应釜中进行溶剂热反应，再进行过滤洗涤至中性，冷冻干燥，得到棕色粉末。步骤三、将步骤二得到的棕色粉末放入到保护气氛下的管式炉中高温碳化；温度为1000
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1400℃，碳化时间为2
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5h,升温速率为1
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10℃/min；得到钠离子负极用榛子壳硬碳材料。2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法，其主要特征在于，步骤一中所用的榛子壳材料为桦木科榛属植物，所述桦木科榛属植物包括欧洲榛、尖榛和大果榛。3.根据权利要求1所述的一种钠离子电池负极用榛子壳硬碳材料的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：侴术雷，王佳成，李丽，侴树春，
申请(专利权)人：温州大学碳中和技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：