【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池材料领域，尤其涉及一种电极材料的制备方法及制备装置。
技术介绍
1、由于化石燃料的消耗和环境污染的加剧，风力发电和太阳能发电得到了快速发展。然而，这两种能源受到自然条件的限制，具有间断性和分布不均性的特点，因此需要储能系统来提高其稳定性。化学储能作为一种循环寿命长、转换效率高且灵活便捷的技术，被认为是最具发展前景的储能技术之一。锂离子电池作为一种循环寿命长、无污染且能量密度大的储能设备，在电子设备、汽车、计算机等小型设备中得到了广泛应用。然而，锂资源的价格上涨阻碍了其在储能领域的规模化应用。
2、钠离子电池具备资源丰富、成本低、适应低温和安全、快速产业化等综合优势，被认为是替代锂离子电池的最有潜力的新型储能体系之一。生物质基硬炭作为一种成本低、原材料资源丰富的材料，被认为是最有可能实现产业化的钠离子电池负极材料。生物质含有丰富的天然孔隙结构，制备的硬炭材料具有优异的储钠性能，但是生物质含有大量的杂原子，尤其是没有储钠性能的硅元素，严重影响硬炭材料的可逆容量。
3、目前，生物质基硬炭负极采用化学除杂方法去除硅及金属杂质，通常为强碱或者氢氟酸体系，流程复杂，能耗高，操作环境危险，难以循环利用。
技术实现思路
1、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，提供一种除杂工艺简单的生物质硬炭负极材料的制备方法及制备装置。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
2、一种生物质硬炭负极材料的制备方法，包括以下
3、(1)将生物质原料预碳化，再与碱液混合均匀得到湿料；
4、(2)将所述湿料在惰性气氛下高温碳化，然后迅速冷却得到碳化生物质；迅速冷却时控制冷却速率为10-30℃/min；
5、(3)将所述碳化生物质表面的结晶物质进行物理剥离，再粉碎即得到所述生物质硬炭负极材料。
6、上述制备方法中，优选的，所述碱液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液浓度为0.1-1mol/l，与碱液混合时的固液比为0.1-4g/ml。利用氢氧化钠溶液浸泡，可以实现杂质二氧化硅的初步转型，在二段碳化过程中深度转型为硅酸钠，易于后续硅酸钠结晶析出。
7、上述制备方法中，优选的，湿料在惰性气氛下高温碳化时控制湿料的堆料厚度不超过0.8cm。迅速冷却除杂的原理是通过快速冷却，表层的硅酸钠爆发成核，宏观上连接在一起，通过镊子可剥离。如果堆料厚度过大，表层实现除杂，内部的杂质仍脱除不了，总体的杂质含量仍然很高，除杂效果不好。
8、上述制备方法中，优选的，控制所述高温碳化的碳化温度为1200-1800℃，升温速率为2-8℃/min，保温时间为1-4h；所述惰性气氛为氮气和/或氩气，控制惰性气氛的气体流量为0.1-5l/h。
9、上述制备方法中，优选的，迅速冷却时的降温方式为冷气降温，控制冷气温度为0-15℃，通入速率为0.5-10l/h，以确保降温速度在10-30℃/min。通过控制在上述冷气温度与通入速率，可以确保带走足够的热量，以满足降温速率的要求。
10、上述制备方法中，优选的，将生物质原料先经过预除杂再进行预碳化过程；所述预除杂为将破碎后的生物质原料用蒸馏水浸泡、洗涤、干燥，浸泡时间为1-48h，干燥温度为60-90℃，干燥时间为6-24h；所述预碳化在惰性气氛下进行，控制预碳化的温度为400-800℃，升温速率为2-8℃/min，保温时间为1-4h；所述惰性气氛为氮气和/或氩气，控制惰性气氛的气体流量为0.1-3l/h。蒸馏水浸泡和洗涤的目的是去除生物质表面的泥土等杂质。
11、上述制备方法中，优选的，物理剥离后的生物质硬炭负极材料中灰分含量≤2.0％(质量含量)，其中硅含量低于0.5％(注：生物质碳化产率约20-25％，原料中的杂质会富集4-5倍)；粉碎后的生物质硬炭负极材料的粒径d50为6-12μm。生物质基硬炭主要的杂质元素是硅、金属元素。本专利技术主要去除的杂质元素是硅，以硅酸钠的形式结晶，同时还可以除去金属氯化物等。
12、本专利技术中，生物质原料为木材、椰壳、坚果壳、楠竹的一种。
13、本专利技术中，迅速冷却实现快速降温，物料表面快速冷却，过冷度提供结晶驱动力，结晶速度增加，爆发成核，晶核生成时间短，晶核数量增加，杂质宏观上连在一起，可通过物理手段分离。
14、具体原理如下：过冷是结晶的必要条件。每种物质都有其理论结晶温度，但在实际结晶的过程中，实际结晶的温度总是低于理论结晶的温度，其二者温度的差值为过冷度。过冷度是指在一定压力下物质的理论结晶温度(t理论)与实际温度(t实际)的差值，即△t＝t理论-t实际。当温度降低至t实际之前，热量不断流失，温度不断降低，当温度降低至t实际附近时，开始出现一定的固体，但是液相到固相的相变要释放相变潜热，导致出现结晶过程时温度停止下降；在接下来的过程中热量仍会不断流失，出现更多的固相，此时热量的流失与相变潜热达到平衡，体系温度不变；直至全部结晶，相变潜热消失，热平衡被打破，t实际继续降低。
15、过冷度的大小与结晶过程中冷却速率密切相关，冷却速率越小，实际温度越高，过冷度越小。过冷度较小时，液相中原子能自由移动，不易形成新的晶核，且凝固时间长，使得晶粒有足够的生长时间，生成的晶体更完整(缓慢降温，晶体晶型更好、完整、大且少，微观上一个个小颗粒)。冷却速率越大，实际温度越低，过冷度越大，形核率的增加较晶核长大的速度更快，爆发成核，晶体小且多，从而可以获得更细且更多的晶粒，使得杂质在宏观上连在一起，可通过物理手段分离。因此，本专利技术控制冷却速率，可以使杂质在物料表面结晶并连在一起，直接通过简单的物理手段即可剥离，工艺流程短且环境友好，成本低，可工业化生产。
16、本专利技术中，为了保证快速冷却达到除杂的目的，需要严格控制降温速度和物料厚度。对于降温速率，需要快速降温，通过快速降温爆发成核，晶体小而多，宏观上连接，可通过物理剥离去除。如果降温速度慢，过冷度低，结晶驱动力小，晶体更完整、大且少，均匀分散在硬炭表面，难以去除。对于物料厚度，如果物料厚度过大，表层的杂质通过快速冷却去除，内部的杂质仍分散在硬炭表面，将导致整体硬炭材料的杂质浓度高，电化学性能差。
17、作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种用于上述的生物质硬炭负极材料的制备方法的制备装置，包括加热炉管、匣钵以及用于向所述加热炉管内通入惰性气体或冷却气体的通气组件，所述匣钵设于所述加热炉管内。
18、上述制备装置中，优选的，所述通气组件包括总进气管、常温进气管、低温进气管和冷却机，所述总进气管、常温进气管和低温进气管相接处设有进气管旋钮，所述冷却机设于所述低温进气管上。
19、更具体的，本专利技术的制备装置，包括总进气管、进气管旋钮、常温进气管、低温进气管、冷却机、进气管阀、进气法兰、支撑架、加热炉管、隔热层、匣钵、出气法兰、进料法兰、压力表、出气管阀和出气管。
20、进一步地，加热本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种生物质硬炭负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液浓度为0.1-1mol/L，与碱液混合时的固液比为0.1-4g/mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，湿料在惰性气氛下高温碳化时控制湿料的堆料厚度不超过0.8cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制所述高温碳化的碳化温度为1200-1800℃，升温速率为2-8℃/min，保温时间为1-4h；所述惰性气氛为氮气和/或氩气，控制惰性气氛的气体流量为0.1-5L/h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，迅速冷却时的降温方式为冷气降温，控制冷气温度为0-15℃，通入速率为0.5-10L/h。
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，将生物质原料先经过预除杂再进行预碳化过程；所述预除杂为将破碎后的生物质原料用蒸馏水浸泡、洗涤、干燥，浸泡时间为1-48h，干燥温度为60-90℃，干燥时间为6-24h；所述预碳化在惰性气氛
7.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，物理剥离后的生物质硬炭负极材料中灰分含量≤2.0％。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，粉碎后的生物质硬炭负极材料的粒径D50为6-12μm。
9.一种用于权利要求1-8中任一项所述的生物质硬炭负极材料的制备方法的制备装置，其特征在于，包括加热炉管(9)、匣钵(11)以及用于向所述加热炉管(9)内通入惰性气体或冷却气体的通气组件，所述匣钵(11)设于所述加热炉管(9)内。
10.根据权利要求9所述的制备装置，其特征在于，所述通气组件包括总进气管(1)、常温进气管(3)、低温进气管(4)和冷却机(5)，所述总进气管(1)、常温进气管(3)和低温进气管(4)相接处设有进气管旋钮(2)，所述冷却机(5)设于所述低温进气管(4)上。
...【技术特征摘要】
1.一种生物质硬炭负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液浓度为0.1-1mol/l，与碱液混合时的固液比为0.1-4g/ml。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，湿料在惰性气氛下高温碳化时控制湿料的堆料厚度不超过0.8cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制所述高温碳化的碳化温度为1200-1800℃，升温速率为2-8℃/min，保温时间为1-4h；所述惰性气氛为氮气和/或氩气，控制惰性气氛的气体流量为0.1-5l/h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，迅速冷却时的降温方式为冷气降温，控制冷气温度为0-15℃，通入速率为0.5-10l/h。
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，将生物质原料先经过预除杂再进行预碳化过程；所述预除杂为将破碎后的生物质原料用蒸馏水浸泡、洗涤、干燥，浸泡时间为1-48h，干燥温度为60-90℃，干燥时间为...
【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，杜浩杰，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：
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