[发明专利]一种基于生物质的官能团修饰的钠离子电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种基于生物质的官能团修饰的钠离子电池负极材料及其制备方法与应用，包括如下步骤：将生物质材料水洗干燥，在惰性气氛下以100‑800℃烧结1‑48小时后，冷却至室温后粉碎得到具有一定颗粒度的碳前体；将碳前体用处理液浸泡0.5‑72小时，洗去杂质、增加碳材料表面的官能团并且对孔分布进行调节；将处理后的碳前体洗涤、干燥并且过筛之后进行二次烧结，在惰性气氛下以800‑2500℃保温0.5‑48小时，得到最终的产物。本发明操作工艺简单易行，该生物质基多孔碳材料价格低廉，能量密度较高，倍率性能良好在钠离子电池负极材料领域具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于钠离子电池负极材料领域，涉及一种基于生物质的官能团修饰的钠离子电池负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池作为重要的电化学储能器件的一种，由于具有高能量密度、长循环寿命和无记忆效应等特点已经被大规模的生产并且广泛的应用到了数字化产品、电动汽车以及智能电网中。但是随着各种新型电子器件的出现以及新能源汽车的蓬勃发展和市场需求的持续增大，锂离子电池所需的锂资源出现严重的紧缺，随之带来的是高昂的电池成本，它很大程度上制约了锂离子电池的大规模生产及使用。因此，寻找代替锂离子电池的新型的能源储存器件将决定着通讯基站、电动车行业的发展方向。金属钠和锂处于同一主族并且具有相似的化学性质，同时金属钠是仅次于锂的体积最小、质量最轻的金属。因此，钠离子电池和锂离子电池也具有相似的工作原理，而且钠离子电池所使用的原材料具有资源丰富、价格低廉、安全性能优异等特点，从而有可能作为下一代的新能源储能器件而得到广大研究者的青睐，并且在智能电网等大规模的储能应用中也具有非常美好的前景。但是要实现高性能钠离子电池的快速发展却受到电极材料的制约，其中负极材料的选择变得尤为重要。钠离子电池和锂离子电池具有相似的工作原理，但是如果将金属钠直接作为钠离子电池负极时，在电池工作时会生成枝晶，从而造成电池短路等安全性问题。同时由于金属钠在许多有机电解液中反应活性高和钝化层不稳定等特点使得非常少的负极材料适合钠离子的脱嵌，因此如何寻找具有大的钠储存能力和高结构稳定性的电极材料是当前的关键。

石墨作为一种很常见的电极材料已经被大量地应用于锂离子电池，但是对于钠离子电池来说，由于钠自身的热力学和动力学问题，只能表现出极低的比容量。硬碳材料是当前钠离子电池的热门负极材料之一，这是因为硬碳材料具有相对比较高的可逆比容量、来源丰富可再生、价格低等特点。Stevens和Dahn通过高温碳化葡萄糖制备了硬碳材料并第一次报道了钠离子可以在硬碳材料进行可逆脱嵌，证明在无序碳材料中的钠存储机理和锂离子电池的储存机理相似，其容量高达300m Ah g^-1。硬碳材料的获取通常是通过不同的含碳前驱体获得的，比如说有机聚合物、多糖等。生物质作为一种含碳的前驱体也被学者们广泛研究。与其他含碳前驱体相比较,生物质碳具有来源广泛、低成本、制备简单等优点，通过简单的热解，能够得到继承了生物质前驱体天然形貌的硬碳材料。通过引入不同的官能团，可以有效的改善钠离子电池负极材料的电导率和反应活性。以生物质为前驱体制备材料为大批量、低成本制备钠离子负极材料提供了一种有效的思路方法。本发明来料广泛，成本低廉，而且通过化学处理增加了官能团的数量，调节了孔的分布，能够满足作为钠离子电池负极材料的各项指标。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供的一种利用生物质制备官能团修饰的钠离子电池负极材料的方法。本发明操作工艺简单易行，该生物质基多孔碳材料价格低廉，能量密度较高，倍率性能良好，在钠离子电池负极材料领域具有较好的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明的第一方面提供一种基于生物质的官能团修饰的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将生物质材料水洗干燥；

(2)将步骤(1)得到的生物质材料在惰性气氛下以100-800℃烧结1-24小时，得到初步热解的碳前体；

(3)将步骤(2)得到的碳前体粉末进行粉碎；