一种生物质基硬碳负极材料的制备装置、制备方法及应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种生物质基硬碳负极材料的制备装置，包括：表面畸变系统、高能表面改性系统以及高温碳化系统。本发明专利技术还提供一种利用上述的生物质基硬碳负极材料的制备装置用于制备生物质基硬碳负极材料的制备方法以及上述的制备方法制备得到的生物质基硬碳负极材料的应用。本发明专利技术的生物质基硬碳负极材料的制备装置与制备方法基于生物质异质原子掺杂改性

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基硬碳负极材料的制备装置、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于电池材料领域，尤其涉及一种负极材料的制备装置、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]由于全球锂资源有限而无法满足动力及储能锂电池的需求，钠离子电池逐渐受到储能电池市场的青睐。目前钠离子电池负极材料包括碳基材料、钛基材料、合金类材料和有机类材料等，其中无定型硬碳材料由于其具有原料来源广泛、成本低廉、环境友好、储钠性能相对优异等优势，成为了目前钠离子电池商业负极材料的首选材料。
[0003]硬碳材料是一种难石墨化碳材料，即使在高温(2800℃)下也不能完全石墨化。硬碳的石墨层间距大于0.36nm，较大的层间距有利于钠离子的嵌入或脱出，同时硬碳中存在大量的缺陷和孔隙，提供了大量活性储钠位点，使其具备较高的储钠容量。生物质原料在自然界中分布广泛，以生物质原料作为前驱体生产生特质基硬碳材料是一种很好的选择。
[0004]目前已公开的生物质基硬碳负极材料的制备，大多是对生物质原料前驱体改性之后再高温热解得到硬碳负极材料，该种制备方法存在生产效率低、难以规模化生产、硬碳材料电化学性能不理想等问题，尤其是首次库伦效率低、比容量低等问题没能得到很好的解决。目前，针对生物质基硬碳材料晶体结构特性来改善的生物质硬碳材料的制备方法及装置鲜有报道，基于生物质硬碳材料的晶体结构特性来开发生物质基硬碳负极材料制备新方法和装置，以实现比容量高、首效库伦效率高的生物质基硬碳负极材料高效稳定生产，具有现实意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种高效率、高电化学性能的生物质基硬碳负极材料的制备装置、制备方法及应用。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0006]一种生物质基硬碳负极材料的制备装置，包括：
[0007]表面畸变系统：用于将生物质原料气流破碎，且使所述破碎后的生物质原料的表面晶格畸变程度增强得到第一改性材料；所述表面畸变系统包括一气流破碎腔；
[0008]高能表面改性系统：用于实现所述第一改性材料的表面改性，使晶体无序度增加得到第二改性材料；所述高能表面改性系统包括高能改性室和用于使所述高能改性室内的改性气氛电离得到阴离子以改性所述第一改性材料的等离子发射组件；所述表面畸变系统与高能表面改性系统通过一气流输送管连接；
[0009]高温碳化系统：用于在惰性气氛下加热所述第二改材料使所述第二改性材料碳化裂解得到生物质基硬碳负极材料。
[0010]上述制备装置中，优选的，所述气流破碎腔上设有进料管与多根压缩空气管，所述气流破碎腔的内壁设有高硬耐磨内衬；所述进料管的一端设有压缩空气入口，另一端与所述气流破碎腔连通，所述进料管在靠近所述压缩空气入口的一侧设有进料口，所述进料管
内在靠近所述气流破碎腔的一侧设有拉瓦尔喷嘴。
[0011]上述制备装置中，优选的，所述高能改性室上设有改性剂注入口，所述高能改性室底部设有带观察窗口的储料罐；所述等离子发射组件包括射频发射器与等离子发射电极。
[0012]上述制备装置中，优选的，所述高温碳化系统包括可移动瓷舟和加热炉管，所述加热炉管上连接有抽真空组件、保温组件、用于高温碳化时充入惰性气体的充气组件和用于物料冷却的冷却组件。
[0013]本专利技术通过进料口加入机械破碎和过筛处理后的生物质基预热解碳颗粒。在送料压缩空气入口的高速压缩空气带动下，使过筛后生物质基预热解碳颗粒经拉瓦尔喷嘴进一步增速，可至超音速，并进入气液破碎腔的内部。气流破碎腔的腔壁四周设置有多根压缩空气管(即高能压缩空气入口)，物料在旋转气流的带动下相互碰撞、摩擦、剪切，可实现物料充分破碎。破碎过程中，粗颗粒在较大的离心力作用下会向腔壁运动并在腔壁处碰撞返回具有循环破碎效果；细颗粒会在较小的离心力作用下集中在气流破碎腔中心部分并沿气流输送管流出。气流破碎腔的内衬采用高硬度和高耐磨的材料，在本专利技术中可采用纳米碳化钨材料涂覆的刚玉材料。同时由于高能压缩空气带动生物质基预热解颗粒的高频率的超高能量碰撞、冲击和摩擦，可使生物质基预热解颗粒表面的晶粒发生晶格畸变，增强颗粒晶格表面的反应活性和缺陷。
[0014]本专利技术的高能改性室顶部可设置垂直出气口，改性剂注入口的材质可为316不锈钢，用于注入高能表面改性反应过程所需要的改性剂，如O2、NH3、CF4、H2S、N2等。改性剂随着表面畸变系统高速流出的第一改性材料在高能改性室中共同做螺旋运动，通过调节射频发生器的频率和功率，使得等离子发射电极产生等离子束并电离气氛中的分子得到阴离子，与高表面反应活性的第一改性材料反应，实现第一改性材料的进一步高能表面改性。经进一步高能表面改性后的第二改性材料继续进行螺旋运动，直至掉落在储料罐中。储料罐左侧设有物料观察窗口，用于观测物料存储情况，当物料高度接近物料观察窗口上沿时，可打开储料罐底部阀门进行放料。
[0015]本专利技术的高温碳化系统包括可移动瓷舟和加热炉管，具体的，可移动瓷舟包括高温瓷舟和可移动置舟板，加热炉管包括高温炉管和分布在其表面的电加热单元，充气组件包括位于高温炉管上的进气管和水平出气管，高温炉管一端设置进料炉门盖，另一端设置固定炉门盖，高温炉管表面设置保温组件，高温炉管上连接有抽真空组件，进料炉门盖和固定炉门盖中连接有冷却组件。高温炉管的材质可为刚玉，电加热单元优选可为硅钼棒，保温组件的材质可为莫来石，进气管和水平出气管的材质为316不锈钢。电加热单元外和高温炉管外设有保温组件，减少热量损失，可有效节省能耗。进料炉门盖、固定炉门盖与高温炉管的接触界面配有密封胶圈，用于密封处理，避免高温样品氧化。进料炉门盖和固定炉门盖设有冷却组件(冷却水进水口和冷却水出水口)，用于高温过程降温，避免密封胶圈烧熔和保证操作人员安全。抽真空组件可为机械泵，机械泵用于升温前高温炉管内抽真空处理，进一步保障样品在缺氧环境下进行晶型转化；为保护材料制备过程中设备和人员安全，严禁在1000℃上开启机械泵。
[0016]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种利用上述的生物质基硬碳负极材料的制备装置用于制备生物质基硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0017]S1：将生物质原料进行预热解，然后破碎、筛分处理得到预处理原料；
[0018]S2：将所述预处理原料送入所述表面畸变系统的气流破碎腔内，对所述预处理原料进一步的进行气流破碎，且使进一步破碎后的原料的表面晶格畸变程度增强得到第一改性材料；
[0019]S3：将所述第一改性材料通过气流输送管送入所述高能表面改性系统的高能改性室中，并向所述高能改性室中加入改性剂，再启动所述等离子发射组件使所述高能改性室内的改性剂电离得到阴离子以改性所述第一改性材料，实现所述第一改性材料的晶体无序度增加得到第二改性材料；
[0020]S4：将所述第二改性材料送入所述高温碳化系统，在惰性气氛下加热所述第二改材料，使所述第二改性材料碳化裂解得到生物质基硬碳负极材料。
[0021]上述制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质基硬碳负极材料的制备装置，其特征在于，包括：表面畸变系统：用于将生物质原料气流破碎，且使所述破碎后的生物质原料的表面晶格畸变程度增强得到第一改性材料；所述表面畸变系统包括一气流破碎腔(6)；高能表面改性系统：用于实现所述第一改性材料的表面改性，使晶体无序度增加得到第二改性材料；所述高能表面改性系统包括高能改性室(10)和用于使所述高能改性室(10)内的改性气氛电离得到阴离子以改性所述第一改性材料的等离子发射组件；所述表面畸变系统与高能表面改性系统通过一气流输送管(7)连接；高温碳化系统：用于在惰性气氛下加热所述第二改材料使所述第二改性材料碳化裂解得到生物质基硬碳负极材料。2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述气流破碎腔(6)上设有进料管(2)与多根压缩空气管(4)，所述气流破碎腔(6)的内壁设有高硬耐磨内衬(5)；所述进料管(2)的一端设有压缩空气入口，另一端与所述气流破碎腔(6)连通，所述进料管(2)在靠近所述压缩空气入口的一侧设有进料口(1)，所述进料管(2)内在靠近所述气流破碎腔(6)的一侧设有拉瓦尔喷嘴(3)。3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述高能改性室(10)上设有改性剂注入口(9)，所述高能改性室(10)底部设有带观察窗口(14)的储料罐(13)；所述等离子发射组件包括射频发射器(11)与等离子发射电极(12)。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备装置，其特征在于，所述高温碳化系统包括可移动瓷舟和加热炉管，所述加热炉管上连接有抽真空组件(25)、保温组件(21)、用于高温碳化时充入惰性气体的充气组件和用于物料冷却的冷却组件。5.一种利用权利要求1
‑
4中任一项所述的生物质基硬碳负极材料的制备装置用于制备生物质基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将生物质原料进行预热解，然后破碎、筛分处理得到预处理原料；S2：将所述预处理原料送入所述表面畸变系统的气流破碎腔(6)内，对所述预处理原料进一步的进行气流破碎，且使进一步破碎后的原料的表面晶格畸变程度增强得到第一改性材料；S3：将所述第一改性材料通过气流输送管(7)送入所述高能表面改性系统的高能改性室(10)中，并向所述高能改性室(10)中加入改性剂，再启动所述等离子发射组件使所述高能改性室(10)内的改性剂电离得到阴离子以改性所述第一改性材料，实现所述第一改性材料的晶体无序度增加得到第二改性材料；S4：将所述第二改性材料送入所述高温碳化系统，在惰性气氛下加热所述第二改材料，使所述第二改性材料碳化裂解得到生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，李骕，雷勋惠，易宇，
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：