一种提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法及制备的负极材料和应用技术

本发明专利技术公开了一种提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法及制备的负极材料和应用，包括以下步骤：步骤1，干燥，淀粉干燥去除水分；步骤2，预氧化，将步骤1完成后得到的淀粉在马弗炉中加热预氧化；步骤3，有机酸处理，将步骤2完成后得到的淀粉置于有机酸溶液中，搅拌加热后抽滤洗涤，并将样品置于鼓风烘箱中干燥；步骤4，碳化，将步骤3完成后得到的淀粉样品在惰性气体保护下进行高温碳化，冷却至室温后得到用于钠离子电池负极的淀粉基硬碳材料。本发明专利技术所用原材料来源广泛、价格便宜，且制备过程简单环保。最终得到的产品为比表面积较小的球体，所制备的电池可逆容量为325mAh/g，首圈库伦效率为90.77％。90.77％。90.77％。

【技术实现步骤摘要】
一种提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法及制备的负极材料和应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法及制备的负极材料和应用。

技术介绍

[0002]近些年，社会经济发展迅速，对传统能源消耗很大，导致出现严峻的生态环境的恶化以及能源枯竭等难题，潮汐能、太阳能灯各种绿色清洁能源引起人们的重视，但是由于无法连续工作和产能不稳定等特性，必须配置大规模的储能设备，因此开发有效地廉价的储能系统就显得很重要。锂离子电池、钠离子电池等电化学储能设备受到了极大的重视，并具有着极大的商业使用潜力。然而，由于锂资源的有限和大规模储能设备的迫切需要，未来对于能源发展的需求仅靠锂离子电池显然是无法满足的，新型储能系统的发展迫在眉睫。钠是自然界中普遍存在的元素之一，在地球地壳中含量较锂更为丰富，且更加容易得到，而且钠和锂有着较为相似的物理化学特性，在大规模能源储能体系中，钠离子电池可成为一种很理想的替代品，并且有着很好的应用前景。
[0003]在众多用作钠离子电池负极的材料中，硬碳因储量丰富、成本低、导电性良好、储钠容量高、环境友好和氧化还原电位低等优点，被认为是最可能率先实现工业化的钠离子电池负极材料。生物质作为一种低成本，环保和可持续的资源，近年来引起了广泛的关注，大量的生物质前驱体因其形态和结构的多样性而被用于制备碳材料，并在钠离子电池领域得到了广泛的应用。淀粉作为来源最为广泛的生物质之一，其产量丰富，价格适宜，且淀粉本身具有的球形结构，在后期制备成硬碳时得以保留，这种球状结构为钠离子的嵌入和脱出创造了大量活性位点，有利于提高电池的可逆容量以及首圈库伦效率。
[0004]淀粉在经过预氧化处理后，仍有部分灰分残余，这类灰分物质在后期高温碳化时，有部分会受热逸出，逸出过程中会破坏淀粉基硬碳的球形结构，因此在预氧化后，对预氧化材料进行酸处理可以有效减少其中灰分含量，提高最终淀粉基硬碳的球形保持率。相较于盐酸、硫酸等强酸，有机酸酸性较弱，可以有效减少处理过程中淀粉颗粒的水解，并且对环境影响更小，成本更加低廉。

技术实现思路

[0005]本专利技术的首要目的是提供一种提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法，主要克服现有技术存在的钠离子电池硬碳负极材料容量不高、研发其他电极材料成本较高，且其他电极材料首圈库伦效率不高等缺点。
[0006]本专利技术提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法如下：
[0007]预氧化后的淀粉进行有机酸处理，然后进行碳化，得到有机酸处理后的淀粉基硬碳负极材料。
[0008]所述的方法，
[0009]所述有机酸为C1～C10的羧酸化合物，优选为乙酸、丙酸、柠檬酸、草酸中至少一种。
[0010]所述淀粉为葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，包括木薯淀粉、玉米淀粉、木偶米淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉等。
[0011]所述的方法，将预氧化后的淀粉按料液比1:5～1:20置于浓度为5％～20％(w/v)的有机酸溶液中，搅拌加热反应。
[0012]所述的方法，加入有机酸溶液后加热至30～50℃处理0.5～2.0h，然后固液分离、洗涤，干燥。
[0013]所述的方法，有机酸处理后将样品置于鼓风烘箱中干燥，干燥温度70～80℃。
[0014]所述的方法，淀粉预氧化前干燥去除水分，优选干燥温度70～80℃，干燥时间2～3h。
[0015]所述的方法，将干燥后的淀粉加热至100～300℃预氧化10～35h，完成后降温至室温得到预氧化材料。
[0016]进一步地，预氧化升温速率2～5℃/min；预氧化在马弗炉中完成；预氧化完成后的样品需要分散。
[0017]所述的方法，有机酸处理后的淀粉在惰性气体保护下进行碳化，依次在100～200℃、300～600℃、1000～1700℃处理3～9h、1～4h、2～5h，冷却至室温得到有机酸处理后的淀粉基硬碳负极材料。
[0018]进一步地，碳化在管式炉中完成；升温速率为2～5℃/min；还包括将碳化后的材料研磨粉碎的过程。
[0019]本专利技术的第二个目的是提供所述的方法制备得到的淀粉基硬碳负极材料。
[0020]本专利技术的第三个目的是提供所述的淀粉基硬碳负极材料在制备电池负极中的应用，尤其是钠离子电池负极中的应用。
[0021]本专利技术优选一种提升钠离子电池淀粉基硬碳负极性能的方法，包括以下步骤：
[0022]步骤1，干燥，食品级木薯淀粉置于鼓风干燥箱中，干燥温度70～80℃，干燥时间2～3h，干燥去除水分；
[0023]步骤2，预氧化，将步骤1完成得到的淀粉置于马弗炉中，在100～300℃预氧化10～35h，升温速率2～5℃/min，预氧化完成后降温至室温得到预氧化材料；
[0024]步骤3，有机酸处理，将步骤2完成后的预氧化材料料液比1:5～1:20置于浓度为5％～20％(w/v)的有机酸溶液中，搅拌加热至30～50℃处理0.5～2.0h后抽滤洗涤，并将样品置于鼓风烘箱中干燥，干燥温度70～80℃；
[0025]步骤4，碳化，将步骤3完成后得到的样品置于管式炉中，通入惰性气体保护，以2～5℃/min依次升温至100～200℃、300～600℃、1000～1700℃，分别处理3～9h、1～4h、2～5h，冷却至室温，研磨粉碎，即得。
[0026]本专利技术的优点和有益效果为：
[0027]本专利技术以淀粉作为碳源，首先经过预氧化，以及有机酸处理，然后在惰性气体气氛下，高温热解，得到球形，石墨化程度适宜的硬碳。本专利技术所用的原材料来源广泛，价格便宜，且制备过程简单，适宜量产，最终得到的产品呈球形，表面光滑，比表面积较小，这种特殊的球形结构为钠离子的嵌入脱出创造了大量活性位点，所得电池可逆容量为可逆容量为
325mAh/g，首圈库伦效率为90.77％。
附图说明
[0028]图1是淀粉原料、本专利技术实施例1与对比例1的SEM图对照图：
[0029]a,b为淀粉原料；c,d为实施例1所制备的硬碳材料；e,f为对比例1所制备的硬碳材料。
[0030]图2是本专利技术对比例1材料制备的电极首圈充放电曲线。
[0031]图3是本专利技术实施例1材料制备的电极首圈充放电曲线。
[0032]图4是本专利技术实施例2材料制备的电极首圈充放电曲线。
[0033]图5是本专利技术实施例1所制备的硬碳材料的N2吸附解吸曲线。
[0034]对于本领域普通技术人员来讲，再不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他相关附图。
具体实施方式
[0035]以下结合实施例对本专利技术作进一步解释说明，而非限制本专利技术。
[0036]对比例1
[0037]本专利技术实施例提供基于淀粉基钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，其步骤包括：
[0038]步骤1，干燥，取食品级木薯淀粉10g置于鼓风干燥箱中，干燥温度80℃，干燥时间2h，干燥去除水分；
[0039]步骤2，预本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升电池淀粉基硬碳负极性能的方法，其特征在于，预氧化后的淀粉进行有机酸处理，然后进行碳化，得到有机酸处理后的淀粉基硬碳负极材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机酸为C1～C10的羧酸化合物，优选为乙酸、丙酸、柠檬酸、草酸中至少一种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将预氧化后的淀粉按料液比1:5～1:20置于浓度为5％～20％(w/v)的有机酸溶液中，搅拌加热反应。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加入有机酸溶液后加热至30～50℃处理0.5～2.0h，然后固液分离、洗涤，干燥。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有机酸处理后将样品置于鼓风烘箱中干燥，干燥温度70～80℃。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旦，刘睿，王海燕，唐有根，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：