一种脱灰硬炭材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于二次电池负极材料技术领域，具体涉及一种脱灰硬炭材料及其制备方法和应用

【技术实现步骤摘要】
一种脱灰硬炭材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于二次电池负极材料
，具体涉及一种脱灰硬炭材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]硬炭是由石油化工产品或生物质材料炭化而成
。
硬炭材料即使加热到
2600℃
也难以石墨化，但是，由于其具有高度无序的结构和大量微孔结构，拥有比石墨层间距更大的层状结构，使得锂离子或者钠离子可以快速的脱嵌，倍率性能优良，并且其膨胀非常小，安全性能高
。
[0003]硬炭材料在应用于二次电池的时候，对灰分的要求较高，通常石墨应用于锂离子二次电池中的灰分要求＜
0.1%
，而制备硬炭的原料以生物质原料为主，生物质原料在长期生长过程以及前处理过程中不可避免的存在很高的灰分和杂质，高含量灰分严重限制了硬炭在二次电池中的应用
。
[0004]业界通常采用液相方式去除硬炭中的灰分，通常会使用盐酸
、
氢氟酸
、
硝酸
、
硫酸等酸性液体进行脱灰或者纯化处理
。
脱灰过程中使用到大量的强酸性液体，同时会使用大量水去稀释酸洗后炭材料，从而导致产生的废水的
pH
值较低，含有部分炭微粉颗粒，而且废水的产生量大，处理成本较高，对环境的污染也较大
。
此外，这种脱灰或者纯化的成本在硬炭材料的制造成本中的占比＞
40%
，这种高成本
、
不环保的脱灰方式在一定程度上也限制了硬炭材料的开发和应用
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种脱灰硬炭材料及其制备方法和应用，本专利技术能够降低脱灰硬炭材料的灰分，提高其碳含量，从而提升脱灰硬炭材料的可逆比容量和倍率性能
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种脱灰硬炭材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将生物质材料进行低温热处理，得到低温热处理炭；
[0009]所述低温热处理的温度
≤600℃
；
[0010]将所述低温热处理炭和脱灰添加剂混合，所得混合料进行高温脱灰及炭化处理，得到脱灰硬炭材料；
[0011]所述高温脱灰及炭化处理的温度为
800~1500℃
；
[0012]所述脱灰添加剂无机铵盐和
/
或有机铵盐
。
[0013]优选的，所述生物质材料包括稻壳
、
花生壳
、
开心果壳
、
橄榄壳
、
杏壳
、
核桃壳
、
松果
、
油茶壳
、
水稻植株
、
椰壳
、
竹子
、
玉米棒
、
秸秆和甘蔗渣中的一种或几种
。
[0014]优选的，所述低温热处理的时间为
1~15h
；所述低温热处理在保护气下进行，控制氧含量低于
100ppm。
[0015]优选的，所述低温热处理炭和脱灰添加剂的质量比为
(60~95):(5~40)。
[0016]优选的，所述高温脱灰及炭化处理的时间为
1~8h。
[0017]优选的，所述高温脱灰及炭化处理在保护气下进行，控制氧含量低于
100ppm。
[0018]优选的，升温至所述高温脱灰及炭化处理的温度的升温速率为
2~15℃/min。
[0019]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备的脱灰硬炭材料，所述脱灰硬炭材料中碳元素的质量百分含量
≥99%
，灰分的质量百分含量为
0.05~0.5%
，碳层间距为
0.36~0.42nm。
[0020]优选的，所述脱灰硬炭材料的中值粒径为
2~15
µ
m
，比表面积为
0.5~15m2/g
，在
5T
压力下的压实密度为
0.7~1.2g/cm3。
[0021]本专利技术还提供了上述技术方案所述脱灰硬炭材料作为负极材料在二次电池中的应用
。
[0022]本专利技术提供了一种脱灰硬炭材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质材料进行低温热处理，得到低温热处理炭；所述低温热处理的温度
≤600℃
；将所述低温热处理炭和脱灰添加剂混合，所得混合料进行高温脱灰及炭化处理，得到脱灰硬炭材料；所述高温脱灰及炭化处理的温度为
800~1500℃
；所述脱灰添加剂包括无机铵盐和
/
或有机铵盐
。
[0023]本专利技术首先通过低温热处理使生物质材料在相对较低温度下进行热解，热分解释放出
H2、CH4、CO
和
CO2、
焦油等，在此阶段生物质材料进行热分解和聚合，形成较为稳定的炭材料，提高碳含量
。
然后将所得低温热处理炭和脱灰添加剂混合，进行高温脱灰及炭化处理，脱灰添加剂在高温脱灰过程中分解产生的气体（
NH3和酸性气体）可以有效的对低温热处理炭进行孔径分布调控，可以在高温条件下同低温热处理炭进行充分的反应，实现高效的脱灰纯化和孔径分布调整
。NH3能够分解为大量
NH2*、NH*、H*
等自由基离子，能够通过与生物炭表面的活性位点进行反应达到刻蚀及掺氮的作用
。
由于反应是在活性的
NH3氛围中进行，
NH3及其自由基离子（
NH2*、NH*、H*
）能够充分的参与并与活性物质反应，在炭材料表面生成大量含氮官能团
。
此条件下炭材料处于一种“活化”状态，表面含有大量活性官能团且处于活性气氛中
。
由于化学活化能够使炭材料中大量含氧官能团暴露在孔道表面，使得
NH3及其自由基离子（
NH2*、NH*、H*
）能够进入孔道与活性位点反应，从而扩大孔径
、
形成新孔和增加掺氮量，这也是使得同步增大活化氨化热解炭的比表面积
、
总孔容和掺氮量
。
孔径分布的调整，可以使得硬炭材料有更多的活性位点，更多的提供储钠空间，使得可逆比容量得到进一步提升
。
[0024]本专利技术通过添加固体脱灰添加剂的方式实现高效脱除硬炭材料中的灰分的硬炭材料制备方法，使脱灰硬炭材料具有较低的灰分，较高的碳含量，实现硬炭材料的孔径分布调整的硬炭材料制备方法，进一步地提升硬炭负极材料的可逆比容量
、
较好的倍率性能，其可应用于二次电池和超级电容器
。
[0025]相对于现有技术，本专利技术采用更有效
、
更经济
、
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种脱灰硬炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将生物质材料进行低温热处理，得到低温热处理炭；所述低温热处理的温度
≤600℃
；将所述低温热处理炭和脱灰添加剂混合，所得混合料进行高温脱灰及炭化处理，得到脱灰硬炭材料；所述高温脱灰及炭化处理的温度为
800~1500℃
；所述脱灰添加剂包括氯化铵
、
溴化铵
、
氟化铵
、
碘化铵
、
盐酸羟胺
、
苯甲基三乙基氯化铵
、
三辛基甲基氯化铵
、
四甲基溴化铵
、
四丙基溴化铵
、
四丁基溴化铵
、
四丁基碘化铵
、
三乙基苄基溴化铵
、
三乙基己基溴化铵和三乙基辛基溴化铵中的一种或几种
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质材料包括稻壳
、
花生壳
、
开心果壳
、
橄榄壳
、
杏壳
、
核桃壳
、
松果
、
油茶壳
、
水稻植株
、
椰壳
、
竹子
、
玉米棒
、
秸秆和甘蔗渣中的一种或几种
。3.
...

【专利技术属性】
技术研发人员：申玉良，谭桂明，彭天权，
申请(专利权)人：赣州立探新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：