[发明专利]基于废弃木屑制备的钠离子电池碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于废弃木屑制备的钠离子电池碳负极材料及其制备方法，以废弃木屑作为生物质碳源，通过预碳化和低升温速率高温碳化处理，经过酸洗溶液洗涤去除金属杂原子，烘干后得到硬碳钠离子电池负极材料。本发明利用废弃木屑作为生物质原材料，可充分利用在木材产品生产过程中产生的大量碎屑，具有可绿色环保、成本低廉等优势；采用低碳化升温速率热解的方法具有减少缺陷浓度、增加层间间距和提高石墨化程度的作用，从而有效改善材料的电化学性能；该方法制备硬碳负极材料具有较高的首次库伦效率和可逆比容量，显示出优异的循环稳定性和倍率性能，是一种理想的钠离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于钠离子电池电极材料制备领域，特别涉及一种基于废弃木屑制备高首效钠离子电池碳负极材料的方法，以及由该制备方法获得的钠离子电池碳负极材料。

背景技术

随着人类社会的快速发展和传统化石能源的消耗，能源危机和环境污染问题持续加剧，因此，开发高效的能源转换方法和清洁能源系统尤为重要。目前，锂离子电池因其功率和能量密度高、循环寿命长、安全性好等优点，已成为具有竞争力的新型能源系统，广泛应用于智能手机、笔记本电脑、电动汽车等日常生活中。然而，由于迫切需要开发大规模储能设备，而锂资源储量有限，需要开发锂离子电池的替代品来满足未来发展的需要。钠是自然界中广泛分布的一种元素，它比地壳中的锂更丰富、更容易获得，在物理和化学性质上与锂元素相似。钠离子电池(SIBs)引起了研究人员的广泛关注，被认为是一种很有前途的LIBs替代品。

在钠离子电池(SIBs)的研究中，寻找高性能的电极材料具有重要的意义。目前还缺乏适合SIBs的负极材料，这是制约其发展的一个因素。在以往的研究中，碳材料因其优良的导电性、丰富的储量和低廉的成本在电化学能源系统中得到了广泛的应用，被认为是最有前途的电极材料。石墨作为一种传统的碳材料，由于其优良的电化学性能，在锂离子电池中得到了广泛的应用。但是，由于钠离子半径大，电离势高，石墨负极材料储钠性能较差。硬碳是指在2500℃以上的温度下难以石墨化的碳，是由随机取向、有缺陷的石墨离散碎片组成，其结构称为“纸牌屋”模型。与石墨相比，硬碳具有更大的层间距和更多的缺陷，显示了低电位(~0.1)和高容量的优点。

生物质材料作为制备硬碳的前体之一，由于其成本低、可再生和环境友好的优点，被认为是可靠的大规模碳源。稻壳、柚皮、甘蔗渣、香蕉皮、玉米芯等生物质碳材料已被证明具有良好的储钠性能。首次库仑效率(ICE)决定了实际应用中阳极材料的可用能量密度，是硬碳在SIBs中实现产业化应用的重要因素之一。由于不可逆的钠储存位点、副反应和固体电解质界面相(SEI)的形成，大多数硬碳表现出较低的ICE。为了提高硬碳负极材料的ICE,天津大学的朱等采用热解与H₂还原相结合的方法制备硬碳材料。在研究中，H₂还原处理显著降低了硬碳中的氧含量，减少了材料的缺陷和不必要的副反应的发生，进一步提高了材料的储钠性能，有效提高了硬碳的ICE。研究人员发现造成硬碳材料首次库伦效率低的是由于在首次放电过程中钠离子的不可逆嵌入，比表面积、缺陷浓度、杂原子含量等是影响其主要因素，高首效生物质硬碳材料的研究开发具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于废弃木屑制备的高首效钠离子电池碳负极材料及其制备方法。所制备的硬碳材料具有较低的缺陷浓度、合适的层间距以及较高的石墨化程度，这种特殊的结构有利于钠离子的嵌入和脱出，有效提高材料的首次库伦效率。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种基于废弃木屑制备钠离子电池碳负极材料的方法，包括：

步骤一：将废弃木屑生物质原料进行超声洗涤预处理去除表面灰尘杂质，干燥后获得生物质前驱体；