【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種硬碳材料及其制備方法、極片、應用和電化學裝置。
技術介紹
1、由化石燃料的消耗導致的能源危機、環境污染引起了人們的廣泛關注，我國也制定了應對能源危機的目標。為了實現該目標，急需高效利用諸如太陽能、風能、潮汐能以及地熱能等可再生清潔能源來減少碳排放。但是，上述可再生能源往往具有周期性、間歇性等特點，直接利用往往難以和電網需求匹配，甚至會損壞輸電設施。二次離子電池具有能量密度高、運行穩定、維護成本較低等優點，是規模儲能器件的理想選擇。鋰離子電池雖具有諸多優勢，但鋰資源短缺、成本較高、安全性較差限制了鋰離子電池在規模儲能裝置中的應用。與鋰離子電池相比，鈉離子電池因鈉資源豐富、成本相對低廉、安全性較好，成為規模儲能領域的理想選擇。由于硬碳材料具備儲鈉比容量較高、儲鈉電壓較低、循環性能較好等諸多優勢，以成為最具有應用前景的鈉離子電池負極材料。
2、硬碳的前驅體主要有包括生物質、瀝青和煤基，具有來源廣泛、廉價易得、碳含量高、結構多樣化等優點，然而，多數前驅體中的芳香族結構容易在高溫碳化的過程中趨于長程化發展，單一且受限的插層過程不利于硬碳儲鈉容量的提升，相比之下，短程有序的類石墨微晶和豐富的閉孔結構才是鈉離子快速、高密度脫嵌的關鍵。
3、因此，為了進一步提高鈉離子電池的能量密度和循環穩定性，亟需開發一種新型的硬碳材料制備方法，獲得兼具高閉孔容量、適度比表面積和獨特微觀結構的硬碳材料，以滿足鈉離子電池負極材料的性能需求。
技術實現思路
1、本專利技術所要
2、本專利技術通過下述技術方案解決上述技術問題。
3、本專利技術提供了一種硬碳材料的制備方法，其包括下述步驟：將碳前驅體和活化劑的混合物依次進行熱處理、碳化處理和碳包覆，可得所述硬碳材料；所述碳化處理的溫度高于熱處理的溫度；所述熱處理的溫度為700-900℃。
4、本專利技術中，所述碳前驅體的種類可為本領域常規，優選為生物質基材料、瀝青基材料和煤基材料中的一種或多種，例如生物質基材料、瀝青基材料或煤基材料。
5、其中，所述生物質基材料的種類優選為椰殼、稻殼、花生殼、核桃殼、花生殼、竹子、纖維素、木質素和榛子殼中的一種或多種，例如椰殼、纖維素或核桃殼。
6、其中，所述瀝青基材料的種類優選為石油瀝青、煤焦油瀝青和中間相瀝青中的一種或多種，例如石油瀝青。
7、其中，所述煤基材料的種類優選為煙煤、次煙煤和無煙煤中的一種或多種，例如無煙煤。
8、本專利技術中，所述碳前驅體的殘碳率可為35％-50％，優選為40％-45％，例如42.85％。所述殘碳率為在氮氣氛圍下，在1100±100℃下煅燒后，采用煅燒前后碳前驅體的質量變化來計算殘碳率。
9、本專利技術中，所述活化劑的種類可為h3po3、磷酸銨、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨、聚磷酸銨、koh、naoh、zncl2、k2co3、khco3、乙酸鋅、堿式碳酸鋅、葡萄糖酸鋅、三聚氰胺和尿素中的一種或多種，例如h3po3、koh、乙酸鋅、堿式碳酸鋅、naoh或zncl2。
10、本專利技術中，所述碳前驅體和所述活化劑的質量比可為1：(0.1-10)，優選為1：(0.8-5)，例如1：1、1：2、1：3或1：4。
11、本專利技術中，所述碳前驅體和活化劑的混合物中優選還包括溶劑。所述溶劑的種類可為本領域常規，例如去離子水。
12、本專利技術中，所述碳前驅體和活化劑的混合物的制備方法優選包括下述步驟：將碳前驅體、活化劑和溶劑混合浸漬、攪拌和干燥。
13、其中，所述碳前驅體和所述去離子水的質量比優選為1：(0.5-13)，例如1：10。
14、其中，所述混合的時間優選為1-24h，例如10h。
15、其中，所述攪拌的頻率優選為1-20hz，例如15hz。
16、其中，所述干燥的操作可為本領域常規，例如在鼓風干燥箱中干燥。所述干燥的溫度可為50-250℃，例如160℃。所述干燥的時間可為5-24h，例如12h。
17、本專利技術中，所述熱處理優選在惰性氣氛下進行。所述惰性氣氛優選為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或多種，例如氮氣。所述惰性氣氛的進氣量可為0.1-2dl/min，例如0.3或0.5dl/min。
18、本專利技術中，所述熱處理的設備可為本領域常規，例如反應釜。所述熱處理時，優選還進行攪拌的操作。所述攪拌的頻率可為3-20hz，例如5或10hz。
19、本專利技術中，所述熱處理的溫度可為750-850℃，優選為780-880℃，例如800或850℃。
20、本專利技術中，所述熱處理的時間可為0.5-8h，優選為1-5h，例如3或4h。
21、本專利技術中，所述熱處理后、所述碳化處理前，優選還進行粉碎的步驟。所述粉碎后可獲得中間體料。所述粉碎的方式可為本領域常規，優選為機械粉碎、球磨或氣流粉碎，例如氣流粉碎。所述粉碎的終點可為中間體料的粒徑為7-20μm，例如7或10μm。
22、本專利技術中，所述碳化處理的設備可為本領域常規，例如箱式爐。所述碳化處理時，中間體料優選放置在坩堝中。
23、本專利技術中，所述碳化處理優選在惰性氣氛下進行。所述惰性氣氛優選為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或多種，例如氮氣。所述惰性氣氛的進氣量可為0.1-2dl/min，例如1dl/min。
24、本專利技術中，所述碳化處理的溫度可為900-1600℃，優選為1200-1500℃，例如1300或1400℃。
25、本專利技術中，所述碳化處理的時間可為0.5-6h，優選為1-3h，例如2h。
26、本專利技術中，所述碳化處理后、所述碳包覆，優選還進行冷卻的步驟。所述冷卻的終點可為室溫，一般為20-30℃。
27、本專利技術中，所述碳包覆的設備可為本領域常規，例如包覆釜。
28、本專利技術中，所述碳包覆時所用的包覆劑可為本領域常規的碳源，例如瀝青和/或樹脂。所述碳包覆時所用的包覆劑的殘碳率優選為35％-55％，例如39％、45％或53％。所述殘碳率為在氮氣氛圍下，在1100±100℃下煅燒后，采用煅燒前后碳前驅體的質量變化來計算殘碳率。所述碳包覆時所用的包覆劑的軟化點可為100-300℃，優選為102-260℃，例如253.2、156.5或104.5℃。
29、本專利技術中，所述碳包覆時包覆劑的用量可為“將碳前驅體和活化劑的混合物依次進行熱處理、碳化處理后獲得的碳化品的質量”的1％-55％，優選為3％-10％，例如5％、8％或9％。
30、本專利技術中，所述碳包覆時的設備可為本領域常規，例如箱式爐。所述碳包覆時，物料優選放置在坩堝本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種硬碳材料的制備方法，其特征在于，其包括下述步驟：將碳前驅體和活化劑的混合物依次進行熱處理、碳化處理和碳包覆，可得所述硬碳材料；所述碳化處理的溫度高于熱處理的溫度；所述熱處理的溫度為700-900℃。
2.如權利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述硬碳材料的制備方法滿足下述條件(1)-(4)中的一種或多種，
3.如權利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述硬碳材料的制備方法滿足下述條件(1)-(12)中的一種或多種，
4.一種硬碳材料，其特征在于，其采用如權利要求1-3中任一項所述的制備方法獲得。
5.如權利要求4所述的硬碳材料，其特征在于，所述硬碳材料滿足下述條件(1)-(3)中的一種或多種：
6.一種硬碳材料，其特征在于，其包括多孔碳和包覆在所述多孔碳表面的碳層；所述硬碳材料的閉孔體積為0.03-0.07cm3/g。
7.如權利要求6所述的硬碳材料，其特征在于，所述硬碳材料的閉孔體積為0.031-0.06cm3/g，例如0.0575、0.0501、0.0453、0.0429、0
8.一種極片，其特征在于，其包括如權利要求4-7中任一項所述的硬碳材料。
9.一種如權利要求8所述的極片在電化學裝置中的應用。
10.一種電化學裝置，其特征在于，其包括如權利要求8所述的極片；
...【技術特征摘要】
1.一種硬碳材料的制備方法，其特征在于，其包括下述步驟：將碳前驅體和活化劑的混合物依次進行熱處理、碳化處理和碳包覆，可得所述硬碳材料；所述碳化處理的溫度高于熱處理的溫度；所述熱處理的溫度為700-900℃。
2.如權利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述硬碳材料的制備方法滿足下述條件(1)-(4)中的一種或多種，
3.如權利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述硬碳材料的制備方法滿足下述條件(1)-(12)中的一種或多種，
4.一種硬碳材料，其特征在于，其采用如權利要求1-3中任一項所述的制備方法獲得。
5.如權利要求4所述的硬碳材料，其特征在于，所述硬碳材料滿...
【專利技術屬性】
技術研發人員：任博陽，范拯華，李向陽，許也，
申請(專利權)人：上海杉杉新材料有限公司，
類型：發明
國別省市：
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