一种钠离子电池生物质基硬碳/MXene复合电极材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钠离子电池生物质基硬碳/MXene复合电极材料及制备方法。本发明专利技术通过将芦苇用蒸馏水洗涤，干燥去除表面多余的水分，然后取洗净的芦苇和沥青在保护气氛下煅烧，保温一段时间，自然冷却，利用碱溶液对上述产物在一定温度下进行处理，抽滤干燥。加入酸溶液在一定温度下进行进一步处理，洗涤干燥。用阳离子表面活性剂水溶液处理芦苇衍生的生物质基硬碳，使其表面带正电，将MXene溶于水中，超声分散，后将表面带正电的芦苇衍生的生物质基硬碳和表面带负电的MXene进行静电自组装，自组装完成后进行过滤、烘干，即得最终产物。本发明专利技术利用芦苇和MXene制备的多孔碳材料工艺简单，成本低廉，循环稳定性和倍率性能优良，可在钠离子电池中应用。可在钠离子电池中应用。可在钠离子电池中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池生物质基硬碳/MXene复合电极材料及制备方法


[0001]本专利技术属于储能电池材料领域，涉及一种钠离子电池生物质基硬碳/MXene复合电极材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着化石燃料的耗竭，风能、水能、太阳能等清洁再生能源的利用越来越受到关注。这些可再生能源受自然环境的影响具有间歇性，难以对电网稳定输出。储能系统的开发利用对实现可再生能源的高效利用至关重要。锂离子电池由于高能量密度、高功率密度、长循环寿命等优点在新能源领域广泛应用。但是锂离子电池负极在充放电过程中会形成锂枝晶，刺穿电池隔膜甚至导致短路。且锂离子电池的比容量已接近正极和负极材料的理论极限，无法满足对高端存储应用过程中电池能量密度不断增长的需求。在元素中期表中，作为与锂同一主族的钠资源储量却非常丰富。因此，在大规模应用的场景下，钠电池没有明显的资源约束。而且，钠电池的正极材料、集流体材料的理论成本比锂电更低，在完成产业化降本之后，其初始投资成本有望较锂电更低。并且，钠离子电池的内阻比锂离子电池高，在短路的情况下瞬时发热量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的安全性。由于诸多优势，钠离子电池成为近年来的研究热点。生物质基硬碳材料原料十分丰富，通过酸溶液或者碱溶液对生物质基材料进行热解处理，可以进行碳原子重组，生物质基热解产生的类石墨化结构层间距明显大于石墨层间距，钠离子可以在层间嵌入。但是硬碳负极还存在很多性能问题，如循环稳定性差、倍率性能低等。这些问题影响了生物质基硬碳材料在钠离子电池中的大规模应用。
[0003]申请号为：202210831906.2公布了一种MXene包覆的酚醛树脂衍生的钠离子电池负极材料，将酚醛树脂粉末在氩气气氛下进行热处理，得到酚醛树脂衍生的硬碳。用CTAB表面活性剂水溶液处理酚醛树脂衍生硬碳，使其表面带正电；采用酸刻蚀法制备表面带负电的MXene水溶液；将两者进行静电自组装，得到负极材料。电化学测试表明，MXene包覆显著提高了酚醛树脂衍生的硬碳负极材料的电化学性能。
[0004]目前已公开的生物质基硬碳/MXene复合电极材料仍存在振实密度低、电子电导率低、首次充放电效率不理想等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决针对上述技术问题，提供了用于钠离子电池的生物质基硬碳/MXene复合电极材料及其制备方法，制备出了高稳定、长寿命的钠离子电池。
[0006]本专利技术提供了一种钠离子电池生物质基硬碳/MXene复合电极材料及制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将芦苇用蒸馏水洗涤，干燥去除表面多余的水分，然后取洗净的芦苇和沥青在保护气氛下煅烧，保温一段时间，自然冷却，利用碱溶液对上述产物在一定温度下进行处
理，抽滤干燥；加入酸溶液在一定温度下进行进一步处理，洗涤干燥。
[0008]S2、用阳离子表面活性剂溶液处理芦苇衍生的生物质基硬碳，使其表面带正电，将MXene溶于水中，超声分散。
[0009]S3、将表面带正电的芦苇衍生的生物质基硬碳和表面带负电的MXene进行静电自组装，自组装完成后进行过滤、烘干，即得最终产物。
[0010]进一步地，所述的沥青材料包括石油沥青、中间相沥青、高温沥青、煤焦油沥青中的一种或任意多种混合。
[0011]进一步地，所述的煅烧温度为600～1600℃，保温时间为1～10h。煅烧时的升温速率为2～20℃/min。
[0012]进一步地，所述的保护气氛为氮气，氩气或二者的混合气体，气流速度为50～200sccm。
[0013]进一步地，所述的碱溶液处理为NaOH溶液或KOH溶液，浓度为20g/L～80g/L，碱溶液与生物质基硬碳材料的比例为40mL：1～5g，处理温度为50～90℃，处理时间为2～12h。
[0014]进一步地，所述的酸溶液为HCl溶液、H2SO4溶液，浓度为0.5mol/L～3mol/L，酸溶液液与生物质基硬碳材料的比例为40mL：1～5g，处理温度为30～60℃，处理时间为2～12h。
[0015]进一步地，所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基双酯基季铵盐、十六醇聚氧乙烯醚二甲基辛烷基氯化铵，溶液的浓度为0.1
‑
20mg/mL，处理时间为2～12h。
[0016]进一步地，所述的MXene材料包括Ti2CT
x
，TiNbCT
x
，Ti3CN
x
T
x
，Ta4C3T
x
，Nb2CT
x
，V2CT
x
，Nb4C3T
x
，Mo2CT
x
，MXene的层数为单层、少层或多层，尺寸为纳米级或微米级。
[0017]进一步地，所述的MXene与生物质基硬碳负极材料的质量比为1:20
‑
1:1，静电自主装时间为0.1～10h。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术采用芦苇和沥青作为碳源，其产量大，价格便宜，产碳率高，易于大规模生产。并且沥青在高温条件下裂解形成一层无定形碳层附着在硬碳表面，减少了硬碳材料的比表面积，减少SEI膜的产生，除此之外还减少表面的活性端面，从而改善了硬碳与电解液的相容性。但是，硬碳材料在充放电过程中会发生体积变形、结构垮塌的现象，从而影响电化学性能。本专利技术采用MXene是一种二维材料，导电性优异，MXene二维结构有助于构建骨架结构，能够缓解结构垮塌，提高硬碳负极材料的循环稳定性。且MXene表面含有大量负性官能团，易溶于水，可与阳离子表面活性剂处理后的生物质基硬碳材料进行静电自主装，提高均匀性，最终提高复合材料的电化学性能。本专利技术制备工艺简单，无有毒溶剂，绿色环保，生产成本低，符合绿色可持续发展的理念。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例1芦苇煅烧后制得的硬碳材料SEM图谱。
[0020]图2是本专利技术实施例1芦苇煅烧后制得的硬碳材料XRD图谱。
[0021]图3是本专利技术实施例1得到的硬碳/MXene复合材料组装成型的扣式电池的循环性能。
具体实施方式
[0022]下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0023]本专利技术提供了一种钠离子电池生物质基硬碳/MXene复合电极材料及制备方法：
[0024]S1、将芦苇用蒸馏水洗涤，干燥去除表面多余的水分，然后取洗净的芦苇和沥青在保护气氛下煅烧，保温一段时间，自然冷却，利用碱溶液对上述产物在一定温度下进行处理，抽滤干燥；加入酸溶液在一定温度下进行进一步处理，洗涤干燥。
[0025]S2、用阳离子表面活性剂溶液处理芦苇衍生的生物质基硬碳，使其表面带正电，将MXene溶于水中，超声分散。
[0026]S3、将表面带正电的芦苇衍生的生物质基硬碳和表面带负电的MXene进行静电自组装，自组装完成后进行过滤、烘干，即得最终产物。
[0027]进一步地，所述的沥青材料包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池的生物质基硬碳/MXene复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将芦苇用蒸馏水洗涤，干燥去除表面多余的水分，然后取洗净的芦苇和沥青在保护气氛下煅烧，保温一段时间，自然冷却，利用碱溶液对芦苇煅烧产物在一定温度下进行处理，抽滤干燥；加入酸溶液在一定温度下进行进一步处理，洗涤干燥。S2、用阳离子表面活性剂水溶液处理芦苇衍生的生物质基硬碳，使其表面带正电，将MXene溶于水中，超声分散。S3、将表面带正电的芦苇衍生的生物质基硬碳和表面带负电的MXene进行静电自组装，自组装完成后进行过滤、烘干，即得最终产物。2.如权利要求1所述的一种钠离子电池的生物质基硬碳/MXene复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的煅烧温度为600～1600℃，保温时间为1～10h；煅烧时的升温速率为2～20℃/min。3.如权利要求1所述的一种钠离子电池的生物质基硬碳/MXene复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的保护气氛为氮气，氩气或氮气氩气混合气体，气流速度为50～200sccm。4.如权利要求1所述的一种钠离子电池的生物质基硬碳/MXene复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的碱溶液处理为NaOH溶液或KOH溶液，浓度为20g/L～80g/L，碱溶液与生物质基碳的比例为40mL：1～5g，碱溶液处理温度为50～90℃，处理时间为2～12h。5.如权利要求1所述的一种钠离子电池的生物质基硬碳/MXene复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述的酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液，浓度为0.5mol/L～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李骕，彭尔柯，张磊，范鑫铭，周璐，林杭，
申请(专利权)人：湖南钠能时代科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：