一种碳质材料的制备方法、碳质材料及应用技术

本公开属于碳材料技术领域，具体涉及一种碳质材料的制备方法、碳质材料及应用。将利用生物质材料形成的炭化料在二氟一氯甲烷气氛下进行高温烧结，在此过程中，二氟一氯甲烷会分解生成四氟乙烯气体和氯化氢气体，四氟乙烯又会生成八氟环丁烷，而八氟环丁烷可与二氧化硅反应生成四氟化硅、二氧化碳以及碳；生成的氯化氢气体在高温下会与金属杂质反应生成金属氯化物。本公开提供的制备方法可以在去除二氧化硅的同时去除铁、钙等金属杂质，且无需酸洗和碱洗过程，不涉及废液处理。不涉及废液处理。不涉及废液处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种碳质材料的制备方法、碳质材料及应用


[0001]本公开属于碳材料
，具体而言，涉及一种碳质材料的制备方法、碳质材料及应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有能量密度大、效率高、重量轻等优点，在便携式电子设备中得到了广泛的应用，但由于地球上的锂资源匮乏和分布不均匀，使得锂离子电池在未来的储能系统中，特别是在大规模储能应用场景中成本较高。钠离子电池作为锂离子电池的理想替代品，因其丰富的钠储量和与锂离子电池相似的电化学机制，引起了人们的广泛关注。然而，由于钠离子的半径比锂离子大55％，商用石墨负极无法可逆的嵌入和脱出钠离子，给钠离子电池的开发带来了重大挑战。
[0003]为此，研究者们进行了大量的探索，以期筛选出有希望的钠离子电池负极材料，目前所开发的钠离子电池负极材料主要包括钛基氧化物、过渡金属硼酸盐、金属硫化物、碳材料及其复合材料等。其中，碳质材料因其低的制备成本、可高度调节的物理化学结构、低的污染性而备受关注。在众多碳质材料中，硬碳由于其长程无序和短程有序的独特结构，在低工作电压下具有较大的可逆容量和良好的循环稳定性，是极具吸引力的钠离子电池负极材料。
[0004]硬碳的原料主要有生物质材料、矿物质和人造有机物，其中，稻壳作为一种生物质材料，具有来源广泛且价格低廉的优点，可以实现低成本的硬碳负极的制备。但是，由于稻壳中的二氧化硅含量(约占15wt％
‑
20wt％)较高，会影响硬碳的容量和首效，往往需要对其进行除硅处理。目前，稻壳中二氧化硅一般通过氢氟酸或者碱洗去除，这些除硅方法都涉及到了废液处理，且所得硬碳的收率较低，大大增加了生产成本。
[0005]因此，目前亟需开发一种经济环保的除硅方法，以促进生物质稻壳基硬碳的工业化应用。
[0006]鉴于此，特提出本公开。

技术实现思路

[0007]本公开的目的包括提供一种碳质材料的制备方法、碳质材料及应用，旨在提供更加经济环保的方法，同时实现二氧化硅和金属杂质的去除。
[0008]为了实现本公开的上述目的，可采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本公开提供的方案包括一种碳质材料的制备方法，包括：将生物质材料形成的炭化料在二氟一氯甲烷气氛下进行高温烧结；
[0010]其中，高温烧结的烧结温度为1000℃
‑
1500℃。
[0011]在本公开的一些实施方式中，高温烧结的烧结温度为1100℃
‑
1300℃。
[0012]在本公开的一些实施方式中，高温烧结的烧结时间为2h
‑
6h。
[0013]在本公开的一些实施方式中，高温烧结的烧结时间为3h
‑
5h。
[0014]在本公开的一些实施方式中，每100g炭化料对应二氟一氯甲烷的通入流量为1L/min
‑
3L/min。
[0015]在本公开的一些实施方式中，炭化料的制备过程包括：将生物质材料先进行预碳化，再与有机碳源和有机溶剂混合得到混合料，将混合料进行干燥，以使有机碳源形成原位包覆。
[0016]在本公开的一些实施方式中，生物质材料为稻壳。
[0017]在本公开的一些实施方式中，预碳化的碳化温度为500℃
‑
700℃，碳化时间为1h
‑
4h。
[0018]在本公开的一些实施方式中，预碳化是在惰性气氛下进行。
[0019]在本公开的一些实施方式中，有机碳源选自酚醛树脂、蔗糖和葡萄糖中的至少一种。
[0020]在本公开的一些实施方式中，有机碳源为酚醛树脂。
[0021]在本公开的一些实施方式中，预碳化后的物料与有机碳源的质量比为(3
‑
7):1。
[0022]在本公开的一些实施方式中，预碳化后的物料与有机碳源的总量与有机溶剂的质量比为(0.8
‑
1.0):1。
[0023]在本公开的一些实施方式中，有机溶剂选自乙醇、甲醇、异丙醇和丙酮中的至少一种。
[0024]在本公开的一些实施方式中，将混合料进行干燥的过程中，控制干燥温度为80℃
‑
100℃，干燥时间为20h
‑
30h。
[0025]在本公开的一些实施方式中，在预碳化完成之后，进行球磨得到粉状物料，再将粉状物料与有机碳源和有机溶剂混合，粉状物料的Dv50为4μm
‑
6μm。
[0026]在本公开的一些实施方式中，控制球磨机转速为450r/min
‑
600r/min，球料比为8
‑
12:1，球磨时间为3h
‑
8h。
[0027]在本公开的一些实施方式中，在高温烧结之后，将所得到的烧结料依次进行水洗除杂和高温碳化。
[0028]在本公开的一些实施方式中，高温碳化的碳化温度为1300℃
‑
1700℃，碳化时间为8h
‑
12h。
[0029]在本公开的一些实施方式中，高温碳化是在惰性气氛下进行。
[0030]在本公开的一些实施方式中，水洗除杂包括依次进行的水洗、固液分离和干燥。
[0031]第二方面，本公开提供的方案还包括一种碳质材料，通过上述任意实施方式中的制备方法制备而得。
[0032]在本公开的一些实施方式中，碳质材料为硬碳。
[0033]在本公开的一些实施方式中，碳质材料的比表面积为0.9m2/g
‑
2.0m2/g，真密度为1.702g/cm3‑
1.825g/cm3。
[0034]第三方面，本公开提供的方案还包括一种负极极片，以上述任意实施方式中的碳质材料作为负极活性材料制备而得。
[0035]第四方面，本公开提供的方案还包括一种钠离子电池，包括上述实施方式中的负极极片。
[0036]第五方面，本公开提供的方案还包括一种用电装置，包括上述实施方式中的钠离
子电池。
[0037]将利用生物质材料形成的炭化料在二氟一氯甲烷气氛下进行高温烧结，在此过程中，二氟一氯甲烷会分解生成四氟乙烯气体和氯化氢气体，四氟乙烯又会生成八氟环丁烷，而八氟环丁烷可与二氧化硅反应生成四氟化硅、二氧化碳以及碳；生成的氯化氢气体在高温下会与金属杂质反应生成金属氯化物。本公开提供的制备方法可以在去除二氧化硅的同时去除铁、钙等金属杂质，且无需酸洗和碱洗过程，不涉及废液处理。
[0038]此外，本公开通过二氟一氯甲烷的分解产物产生的八氟环丁烷和二氧化硅反应生成四氟化硅气体、二氧化碳气体以及碳，在去除二氧化硅的同时还可以沉积碳，提高产物的收率，降低成本；沉积的碳会减少材料内部的孔径大小，使中孔转变为微孔，这种微孔在提供足量钠存储位点的同时，还有利于电荷转移阻抗的降低，从而提高材料的电化学性能。
附图说明
[0039]为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种碳质材料的制备方法，其特征在于，包括：将生物质材料形成的炭化料在二氟一氯甲烷气氛下进行高温烧结；其中，所述高温烧结的烧结温度为1000℃
‑
1500℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温烧结的烧结温度为1100℃
‑
1300℃。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述高温烧结的烧结时间为2h
‑
6h。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高温烧结的烧结时间为3h
‑
5h。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的制备方法，其特征在于，每100g所述炭化料对应二氟一氯甲烷的通入流量为1L/min
‑
3L/min。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述炭化料的制备过程包括：将生物质材料先进行预碳化，再与有机碳源和有机溶剂混合得到混合料，将所述混合料进行干燥，以使所述有机碳源形成原位包覆。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述生物质材料为稻壳。8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述预碳化的碳化温度为500℃
‑
700℃，碳化时间为1h
‑
4h。9.根据权利要求6
‑
8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述预碳化是在惰性气氛下进行。10.根据权利要求6
‑
9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述有机碳源选自酚醛树脂、蔗糖和葡萄糖中的至少一种。11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述有机碳源为酚醛树脂。12.根据权利要求6
‑
11中任一项所述的制备方法，其特征在于，预碳化后的物料与所述有机碳源的质量比为(3
‑
7):1。13.根据权利要求6
‑
12中任一项所述的制备方法，其特征在于，预碳化后的物料与所述有机碳源的总量与所述有机溶剂的质量比为(0.8
‑
1.0):1。14.根据权利要求6
‑
13中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐俊，李长东，阮丁山，毛林林，张苗，郑爽，
申请(专利权)人：湖南邦普循环科技有限公司，
类型：发明
国别省市：