一种用于钠离子电池负极的硬碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于钠离子电池的负极材料及其制备方法。属于钠离子电池负极材料技术领域，本发明专利技术利用低成本并且广泛获得的木质素作为原料，先制备出木质素基酚醛树脂，通过碳化处理木质素基酚醛树脂制备硬碳材料，该材料具有优异的稳定性和较高的储能容量，可以显著提高钠离子电池的能量密度、初始化效率和循环性能。同时，通过使用环境友好的木质素代替传统的工业原料，解决了环境污染和生物相容性的问题。这项技术的应用有望推动钠离子电池技术的进一步发展，并在电动汽车、能源储存等领域发挥重要作用。域发挥重要作用。域发挥重要作用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于钠离子电池负极的硬碳材料及其制备方法


[0001]本专利涉及钠离子电池领域的创新技术，涉及一种用于钠离子电池新型硬碳负极材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]本专利技术提供了一种用于钠离子电池负极的硬碳材料及其制备方法。该材料基于木质素基酚醛树脂，经过碳化处理得到硬碳材料。通过使用木质素替代传统的苯酚等工业原料用于树脂合成，本专利技术解决了硬碳材料的制备成本高、环境友好性差等问题。该负极材料具有良好的稳定性、较高的储能容量，可以显著提高钠离子电池的性能，推动钠离子电池技术的进一步发展。钠离子电池作为一种具有潜力的能源储存技术，在能源领域引起了广泛关注。然而，在钠离子电池的负极材料方面，传统的硬碳材料存在一些挑战。传统的硬碳材料通常使用煤炭、石墨烯或酚醛树脂(如苯酚)作为原料。然而，这些材料存在一些问题。首先，传统硬碳材料的制备成本较高，限制了其在大规模应用中的可行性。其次，硬碳材料的循环稳定性有待改善，导致电池容量衰减较快，限制了电池的循环寿命。
[0003]在传统的硬碳材料中，苯酚等工业原料被广泛使用，然而这些原料存在环境污染的风险，对环境和人体健康可能造成潜在的危害。另外，硬碳材料的循环稳定性有待提高，可能因为其结构与电池循环过程中的体积变化和结构破坏有关，限制了电池的循环寿命和整体性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题在于通过采用具有较低成本和绿色合成路线的硬炭负极材料前驱体，克服了现有技术中树脂基前驱体昂贵的价格问题。同时，该专利技术的硬炭负极材料在循环稳定性方面也具备优势，相比生物基前驱体的较差循环稳定性，表现更加可靠。因此，本专利技术实现了硬炭负极材料前驱体高容量、良好稳定性和较低成本的综合优势，同时采用了绿色合成路线，具备广泛的应用前景。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种用于钠离子电池负极的硬碳材料的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
[0007](1)将苯酚与木质素以质量比(3
‑
7)：(7
‑
3)在碱性条件下混合，于60℃下酚化60min。按照酚醛摩尔比1：(1.1
‑
1.5)的比例称取甲醛。在60℃时先向体系内加入80％所需加入量的甲醛反应60min。升温至80℃加入剩余甲醛并持续反应90min后终止。将所得产物减压蒸馏，除水至树脂黏度1.00
‑
1.20Pa
·
s得到木质素基酚醛树脂。
[0008](2)在90
‑
120℃下保持60
‑
120min将树脂固化并粉碎，于在150℃下干燥6h，得到硬碳负极前驱体。
[0009](3)粉碎后的前驱体在400
‑
600℃下碳化3
‑
6h后进一步升温至1000
‑
1500℃进行1
‑
3h碳层生长，经研磨洗涤干燥后得到钠电用硬碳负极。
[0010]优选地，步骤(1)前先将木质素溶于1mol
·
L
‑1氢氧化钠溶液，并于150℃高温高压
反应釜中消解90min；
[0011]优选地，步骤(1)中所述木质素来源为玉米糖渣废料。
[0012]优选地，步骤(1)中碱性条件的pH值为9
‑
11。
[0013]优选地，步骤(1)中所述甲醛为37％的甲醛水溶液。
[0014]优选地，步骤(3)中碳化过程升温速率为5
‑
10℃/min。
[0015]优选地，步骤(3)中碳化后硬碳洗涤方法为，在2mol
·
L
‑1的HNO3水溶液超声处理20min，再用去离子水冲洗至中性。
[0016]优选地，步骤(3)中所述硬碳研磨粒径分布为20
‑
40μm。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018]1、降低制备成本：使用基于木质素基酚醛树脂的碳化处理技术，替代传统的苯酚等工业原料，可以降低硬碳材料的制备成本。这将提高硬碳材料的可行性，并促进其在大规模应用中的推广和应用。
[0019]2、环境友好性：传统的硬碳材料使用苯酚等工业原料，可能存在环境污染的风险，对环境和人体健康可能造成潜在的危害。通过使用木质素替代这些原料，可以改善硬碳材料的环境友好性，减少对环境的不良影响。
[0020]3、提高循环稳定性：传统的硬碳材料在钠离子电池中可能存在循环稳定性不佳的问题，限制了电池的循环寿命和整体性能。通过基于木质素基酚醛树脂的碳化处理技术，可以改善硬碳材料的循环稳定性，减少电池容量衰减的速度，延长电池的使用寿命。这将有助于提高钠离子电池的性能和可靠性。
附图说明
[0021]图1为钠电硬碳负极材料及前驱体合成示意图
[0022]图2为硬碳电镜图
[0023]图3硬碳负极半电池充放电测试结果
具体实施方式
[0024]为使本专利技术的技术方案便于理解，以下结合具体实施例对本专利技术的钠电负极材料及前驱体制备的方案作进一步的说明。
[0025]实施例1：
[0026]图1展示了一种钠电用硬碳负极材料的合成工艺，其前驱体的合成方法如下所示：
[0027]将60g苯酚与40g木质素混合，于60℃下酚化60min。向体系内加入108g 37％的甲醛水溶液反应60min，升温至80℃使反应溶液微沸，再次补加27g 37％的甲醛水溶液继续回流90min。反应结束后减压蒸馏至树脂黏度约为1.05Pa
·
s。
[0028]未验证木质素基酚醛树脂的成功聚合，根据GB/T 14074
‑
2017作为检测标准，测试其胶合强度为2.92MPa。
[0029]实施例2：
[0030]根据图1工艺流程将实施例1所制备的前驱体在500℃下预碳化，1000℃下二次碳化后所得硬碳材料微观形貌如冷冻电子显微镜所示(图2)。
[0031]硬碳整体分布杂乱，表面空隙丰富，空隙大小分布在0.5
‑
1.5μm之间。
[0032]实施例3：
[0033]根据图1工艺流程合成硬碳前驱体，并分别在1100℃、1300℃、1500℃下对预碳化样品进行二次碳化；通过对木质素基酚醛树脂在不同温度下进行热处理，合成了硬碳，研究了温度对Na电池中硬碳结构和电极性能的影响。
[0034]在1100
‑
1500℃的温度范围内，sp2‑
碳片与内部孔隙之间的层间距离减小。硬碳负极的可逆容量随热处理温度的升高而增加(图3)。在1500℃下碳化的硬碳在Na电池中提供386mAh g
‑1的最大容量(10mAg
‑1电流密度下)。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于钠离子电池负极的硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将苯酚与木质素以质量比(3
‑
7)：(7
‑
3)在碱性条件下混合，于60℃下酚化60min。按照酚醛摩尔比1：(1.1
‑
1.5)的比例称取甲醛。在60℃时先向体系内加入80％所需加入量的甲醛反应60min。升温至80℃加入剩余甲醛并持续反应90min后终止。将所得产物减压蒸馏，除水至树脂黏度1.00
‑
1.20Pa
·
s得到木质素基酚醛树脂。(2)在90
‑
120℃下保持60
‑
120min将树脂固化并粉碎，于在150℃下干燥6h，得到硬碳负极前驱体。(3)粉碎后的前驱体在400
‑
600℃下碳化3
‑
6h后进一步升温至1000
‑
1500℃进行1
‑
3h的碳层生长，经研磨洗涤干燥后得到钠离子电池负极的硬碳材料。2.根据权利要求1所述的用于钠离子电池负极的硬碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述木质素来源为玉米糖渣废料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆海彦，樊智天，倪睿，王瀚博，杨星晨，李艺多，宛胜，田玉美，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：