【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钠离子电池的，尤其涉及一种钠离子电池硬碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、近年来，化石能源消费的碳排放导致环境问题日益突出，发展新的可再生资源成为当今社会的共识。木质纤维生物质具有资源丰富、可再生、环境友好等优点，因而利用木质纤维素原料发展生物质基功能材料对实现社会、经济可持续发展具有重要意义，也符合当前社会能源消费结构向低碳化和清洁化方向转变的重大需求。碳材料具有许多优异的理化特性，如化学稳定性高、表面化学性质可调、导电性好、密度低、比表面积大等，因而在催化、能源存储与转化、吸附等领域均具有良好的应用前景。然而大多数碳材料的合成途径一般依赖于不可再生的化石燃料，因此木质纤维生物质作为一种可持续的碳源可以缓解当前社会对能源和环境的巨大压力。
2、与锂离子电池一样，钠离子电池主要由正极、负极、集流体、电解液、隔膜以及电池外壳组成。锂离子电池碳基负极材料主要以石墨为主，锂离子半径较小，可以有效地在石墨层间嵌入脱出，但是钠离子半径较大，石墨类材料不能有效地存储钠离子。木质纤维生物质基硬碳材料作为钠离子电池负极材料受到了广泛关注。改变碳化过程参数(碳化温度、变温速率、碳化方式等)被认为是一种非常有效的调控硬碳微观结构的思路。但是碳化温度的提高意味着能耗的增长，而且高温石墨化的碳层结构更类似于石墨，层间距较小，不利于半径较大的离子如na+的嵌入，从而影响后续的离子存储能力。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处而提供了一种钠离子电池硬碳负
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、第一方面，本专利技术提供一种钠离子电池硬碳负极材料，所述电池硬碳负极材料由含木质纤维素的原料先于低共熔溶剂中预处理后，然后在路易斯酸中处理后碳化而成；
4、预处理前对所述含木质纤维素的原料进行粉粹处理，粉碎后含木质纤维素的原料的粒径为100-200目；
5、所述路易斯酸中含有过渡金属元素。
6、本专利技术的原理：采用含木质纤维素的原料先与低共熔溶剂进行预处理，由于低共熔溶剂对木质素具有很好的溶解作用，能有效溶出原料中的半纤维素和木质素；然后加入路易斯酸进行处理，由于路易斯酸中的过渡金属阳离子水合物与纤维素c5和c6位置的氧原子相互作用，得到与过渡金属离子螯合的纤维素/木质素复合结构，使得在进行后续碳化过程中，过渡金属在碳化过程中起到催化石墨化作用，有利于提高碳材料石墨化程度和导电性，纤维素/木质素复合结构经过碳化得到利于储钠的微观碳结构；同时，与金属阳离子结合的cl-进而去破坏纤维素氢键，从而提高溶解木质素和纤维素的能力，而溶解越多的木质素和纤维素，碳材料具有更多的缺陷和孔洞结构，有利于钠离子存储。
7、优选地，所述低共熔溶剂中氢键供体和氢键受体的摩尔比为(2-10)：1。
8、优选地，所述氢键供体为草酸、柠檬酸、乙二醇、甘油、尿素、硫脲和咪唑中的至少一种。
9、更优选地，所述氢键供体为尿素和乙二醇的混合物，且所述尿素和乙二醇的摩尔比为(0.1-10)：1。
10、优选地，所述氢键受体为季鏻盐、季铵盐、咪唑鎓盐、氯化胆碱中的一种。
11、优选地，所述路易斯酸为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锰、氯化铝、氯化锌中的至少一种。
12、更优选地，所述路易斯酸为氯化镍和氯化铜的混合物，且氯化镍和氯化铜的质量比为(0.2-5)：1。
13、优选地，所述含木质纤维素的原料为木材、竹材、玉米芯、秸秆、人造板材中的至少一种。
14、更优选地，所述秸秆为麦秆、水稻秆、高粱秆、玉米秆、大豆杆、甘蔗渣中的一种。
15、优选地，所述前驱体颗粒与路易斯酸的质量比为1：3。
16、第二方面，本专利技术还提供了一种钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
17、(1)将含木质纤维素的原料加入低共熔溶剂中并在80-100℃中预处理2-8h，干燥后得到前驱体颗粒，所述含木质纤维素的原料与低共熔溶剂的质量比为(1-3)：20；
18、(2)将前驱体颗粒加入路易斯酸溶液中并在70-100℃中预处理8-12h，得到纤维素/木质素复合前驱体，所述前驱体颗粒与路易斯酸的质量比为1：(1-4)；
19、(3)将纤维素/木质素复合前驱体于惰性气氛中进行高温碳化，即得到钠离子电池硬碳负极材料。
20、本专利技术的制备方法简单，成本低廉，安全环保，可大规模生产，所制备的钠离子电池硬碳负极材料具有石墨化程度高、离子电导率高、储钠性能好等特点。
21、本专利技术通过控制含木质纤维素的原料与低共熔溶剂的质量比在上述范围内，使得含木质纤维素的原料中木质素和纤维素具有较佳的溶解能力，进而使得碳材料具有更多的孔洞和缺陷，有利于钠离子存储，从而提高电池的循环稳定性。
22、本专利技术通过控制前驱体颗粒与路易斯酸的质量比在上述范围内，一方面能够提高木质纤维素的溶解能力；另一方面，路易斯酸中的金属离子在碳化过程中可以催化石墨化作用，有利于促进碳材料的石墨化程度以及增大碳层面间距，从而使得电池的具有优异的循环稳定性和倍率性能。
23、预处理过程中的温度以及时间均会影响木质素和纤维素的溶解度，使得碳材料的微观结构受到影响，因此，本专利技术将预处理时的温度和时间控制在上述范围内，有利于提高木质纤维素的溶解能力，使得碳材料具有更多的孔洞和缺陷，提高钠离子存储，从而使得电池具有优异的循环稳定性。
24、优选地，所述步骤(3)中碳化温度为800-1200℃，碳化时间为1-3h，升温速率为3-5℃/min。
25、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
26、本专利技术采用低共熔溶剂、路易斯酸两步化学预处理调控纤维素/木质素/过渡金属复合前驱体结构的方法，通过调控前驱体结构、过渡金属离子种类以及热解过程工艺条件，实现木质纤维生物基碳材料微观结构如有序碳层结构、碳层间距、孔隙结构等的可控构筑，并进一步阐明木质纤维生物基碳材料的储钠机理，实现钠离子在碳结构中稳定可逆的嵌入脱出。利用该法制备的硬碳材料组装钠离子电池，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。
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1.一种钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述钠离子电池硬碳负极材料由含木质纤维素的原料先于低共熔溶剂中预处理后，然后在路易斯酸中处理后碳化而成；
2.如权利要求1所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述低共熔溶剂中氢键供体和氢键受体的摩尔比为(2-10)：1。
3.如权利要求2所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述氢键供体为草酸、柠檬酸、乙二醇、甘油、尿素、硫脲和咪唑中的至少一种。
4.如权利要求3所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述氢键供体为尿素和乙二醇的混合物，且所述尿素和乙二醇的摩尔比为(0.1-10)：1。
5.如权利要求2所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述氢键受体为季鏻盐、季铵盐、咪唑鎓盐、氯化胆碱中的一种。
6.如权利要求1所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述路易斯酸为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锰、氯化铝、氯化锌中的至少一种。
7.如权利要求6所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述路易斯酸为氯化镍和氯化铜的混合物，且氯化镍和氯化铜
8.如权利要求1所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述含木质纤维素的原料为木材、竹材、玉米芯、秸秆、人造板材中的至少一种。
9.如权利要求1-8任一项所述的钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.如权利要求9所述的钠离子电池硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中碳化温度为800-1200℃，碳化时间为1-3h，升温速率为3-5℃/min。
...【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述钠离子电池硬碳负极材料由含木质纤维素的原料先于低共熔溶剂中预处理后，然后在路易斯酸中处理后碳化而成；
2.如权利要求1所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述低共熔溶剂中氢键供体和氢键受体的摩尔比为(2-10)：1。
3.如权利要求2所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述氢键供体为草酸、柠檬酸、乙二醇、甘油、尿素、硫脲和咪唑中的至少一种。
4.如权利要求3所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述氢键供体为尿素和乙二醇的混合物，且所述尿素和乙二醇的摩尔比为(0.1-10)：1。
5.如权利要求2所述的钠离子电池硬碳负极材料，其特征在于，所述氢键受体为季鏻盐、季铵盐、咪唑鎓盐、氯化胆碱中的一种。
【专利技术属性】
技术研发人员：杨汪，杨武，汤汉良，李桂琴，陈之善，吴燕如，
申请(专利权)人：清远高新华园科技协同创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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