[发明专利]一种锂离子电池生物质基硬碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种锂离子电池生物质基硬碳负极材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：S1.将巴沙木裁切成木块，将木块浸入氯乙酸钠碱溶液中，取出后用去离子水反复清洗，冷冻干燥得到绝干的预处理木块；S2.将预处理木块真空浸渍于亚铁离子溶液中，恒温保持2‑4h后转移至硝酸钾碱溶液中，恒温反应5‑7h，将反应物用去离子水反复清洗，冷冻干燥得到磁性Fe₃O₄修饰的木块；S3.将磁性Fe₃O₄修饰的木块真空浸渍于前驱体溶液中，并置于磁场中磁感应加热，将反应物反复清洗，冷冻干燥得到前驱体；S4.将前驱体碳化。本发明制得的锂离子电池生物质基硬碳负极材料具有优良的倍率性能、循环性能以及较高的比容量。

技术领域

本发明涉及一种负极材料，特别是涉及一种锂离子电池生物质基硬碳负极材料及其制备方法。

背景技术

通常，按照储锂机制，锂离子电池负极材料可以分为嵌入型负极材料、合金型负极材料、转化型负极材料。碳材料是典型的嵌入型负极材料，具有良好的结构稳定性和循环性能，特别是硬碳材料，由于结构上存在一些孔隙和缺陷，能为锂离子提供了丰富的存储和脱嵌位点，理论比容量高达350-400mAh/g，是非常有发展前景的锂离子电池负极材料。

例如，南开大学申请的专利CN111342019B直接将Sn-MOF用作锂离子电池负极材料，华南师范大学申请的专利CN105932291B和中国石油大学申请的专利CN114883526A则通过碳化纯Zn-MOF前驱体制备了锂离子电池负极材料，上述专利存在的问题是制备过程比较复杂，成本较高。浙江工业大学申请的专利CN109119602A以巴沙木为原料制备了多孔木碳改性金属锂负极材料，该专利存在的问题则是比容量不高，倍率性能不理想。

金属有机框架本身的导电性偏弱，直接用作负极材料时不利于电子的传输，且有研究表明以金属有机框架为负极的锂离子电池存在比容量较小的缺点；金属有机框架的成本较高，若负极全部采用金属有机框架或其衍生物则不利于材料的广泛性应用；此外，未经改性处理的生物质硬碳还存在首效较差的问题，而作为改性手段的元素掺杂法又会增加工艺的复杂性以及成本。以上因素均制约了金属有机框架在锂离子电池负极材料中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锂离子电池生物质基硬碳负极材料的制备方法，该制备方法制得的锂离子电池生物质基硬碳负极材料具有优良的倍率性能、循环性能以及较高的比容量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种锂离子电池生物质基硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.将巴沙木裁切成木块，将木块浸入氯乙酸钠碱溶液中1-3h，取出后用去离子水反复清洗，然后冷冻干燥得到绝干的预处理木块；

S2.将步骤S1所得预处理木块真空浸渍于亚铁离子溶液中，80-100℃下恒温保持2-4h后转移至硝酸钾碱溶液中，80-100℃下恒温反应5-7h，将反应物用去离子水反复清洗，然后冷冻干燥得到磁性Fe₃O₄修饰的木块；

S3.将步骤S2所得磁性Fe₃O₄修饰的木块真空浸渍于MOF前驱体溶液中，并置于磁场中磁感应加热8-10h，将反应物分别用DMF、乙醇和去离子水反复清洗，然后冷冻干燥得到前驱体；

S4.将步骤S3所得前驱体于惰性气氛下碳化2-4h得到锂离子电池生物质基硬碳负极材料。

进一步地，本发明所述步骤S1中，木块的尺寸为(8-12)mm×(8-12)mm×(4-6)mm；冷冻干燥时的温度为-40～-60℃，时间为12-24h。

进一步地，本发明所述步骤S1中，氯乙酸钠碱溶液由氯乙酸钠、氢氧化钠、水组成，其中，氯乙酸钠的浓度为0.2-0.6M，氢氧化钠的浓度为10-20％w/v。