一种利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法和应用与流程

本发明属于生物质硬碳制备和钠离子电池负极材料的，涉及一种利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法和应用。

背景技术：

1、为了实现“双碳”目标，我国需要减少化石能源使用、开发清洁能源，然而，风能、太阳能、潮汐能等清洁可再生能源往往具有随机性和间歇性等问题，直接接入电网会引起电网的波动，需要通过大规模储能设备来提高能源利用率。锂离子电池作为新型储能方式的一种，具有高能量密度和长循环寿命等优点，然而锂资源稀缺且价格昂贵，不适合用于大型储能设备。钠和锂同在第一主族，化学性质相似，所以钠离子电池与锂离子电池的反应机理和电极材料具有高度的相似性，可以与成熟的锂离子电池体系共享电池设备，同时钠在地壳中储量丰富，成本较低，已被视为大规模储能应用中高性能二次电池有前景的替代品。

2、商业化的锂离子电池通常使用石墨作为负极材料，锂离子通过在石墨碳层间进行插层实现锂离子的循环嵌入和脱嵌。但钠离子的半径比锂离子大，很难在石墨材料中进行插层，负极材料成为限制钠离子电池性能提升的瓶颈。

3、为了提升钠离子电池的性能，需要研发适合钠离子特性的负极材料，硬碳材料凭借着较高的理论比容量、优异的循环稳定性以及低成本引起了人们的广泛关注。硬碳材料的来源有三大类：树脂基、石油基和生物质基，其中生物质基来源广泛、绿色可再生，受到了学者的广泛研究。然而生物质基硬碳通常存在着结构不均匀、氧杂质含量高等问题，直接影响其在钠离子电池中的电化学性能。因此对生物质基硬碳的结构进行调控变得至关重要。通过结构调控，可以优化生物质基硬碳的碳微晶结构、孔隙结构，进而提高其储钠容量和电极反应动力学。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，该方法通过改变催化剂种类和添加量调控生物质硬碳碳微晶结构。本发明要解决的另一技术问题是提供一种上述方法制备获得的具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料，更加有利于钠离子电池负极材料表现出稳定且优良的电化学性能。本发明还要解决一技术问题是提供上述具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料在钠离子电池负极材料中的应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，将生物质材料与催化剂混合，进行低温催化碳化、高温精炼，制备得到生物质基硬碳材料。

4、作为优选，所述生物质材料与催化剂的质量比为1:0.01～2。

5、作为优选，所述催化剂选自氯化锌、氯化镍、氯化锰、磷酸、硼酸中的任意一种。

6、作为优选，所述低温催化碳化的温度为250～500℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1～3h。

7、作为优选，所述高温精炼的温度为800～1800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1～3h。

8、作为优选，所述生物质材料选自坚果壳、竹材、木材、木质素中的任意一种或多种。

9、所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，具体步骤为：

10、1)将生物质原料经干燥后，破碎成颗粒；

11、2)将催化剂与步骤1)得到的生物质颗粒混合均匀，加入少量去离子水充分浸渍，使混合物为糊状的状态，室温浸渍后烘干；

12、3)将步骤2)得到的混合物进行低温催化碳化，碳化结束后，将得到的炭化料研磨成粉末状；

13、4)向步骤3)得到的炭化料中加入盐酸，煮沸5～10min后用去离子水反复洗涤至中性并烘干，洗去炭化料中的催化剂和灰分，得到生物质炭化料；

14、5)将步骤4)得到的生物质炭化料进行高温精炼，碳化结束后，冷却至室温后，得到钠离子电池生物基硬碳材料。

15、作为优选，所述步骤2)中，室温浸渍的时间为1～3h，烘干的温度为100～200℃。

16、所述的利用生物质制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，制备得到生物质基硬碳材料。

17、所述的生物质基硬碳材料在钠离子电池负极材料中的应用。

18、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

19、1)本发明中催化剂的添加可以定向脱除生物质中的o元素，o和h以水的形式脱除，剩下的c成环，促进成炭过程中的芳环化反应，减少成炭过程中c以气体形式损耗的程度，显著增加了硬碳制备过程的得碳率(从30％提升至35％)；

20、2)本发明通过改变催化剂的种类和用量来调控生物质硬碳碳微晶结构，有效抑制了碳微晶的过度石墨化，使碳微晶从大面积堆积的类石墨结构转变为“长程无序，短程有序”的硬碳结构，提高了硬碳的无序度，为钠离子提供更多的吸附位点；

21、3)本发明能增加纳米级碳微晶数量，有效提升碳微晶之间的交叉堆叠程度，使硬碳具有更多的闭孔容积，提高了材料的储钠性能，应用于钠离子电池负极表现出优异的电化学性能。

技术特征：

1.一种利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，将生物质材料与催化剂混合，进行低温催化碳化、高温精炼，制备得到生物质基硬碳材料。

2.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，所述生物质材料与催化剂的质量比为1:0.01～2。

3.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，所述催化剂选自氯化锌、氯化镍、氯化锰、磷酸、硼酸中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，所述低温催化碳化的温度为250～500℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1～3h。

5.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，所述高温精炼的温度为800～1800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1～3h。

6.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，所述生物质材料选自坚果壳、竹材、木材、木质素中的任意一种或多种。

7.根据权利要求1所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，具体步骤为：

8.根据权利要求7所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，其特征在于，所述步骤2)中，室温浸渍的时间为1～3h，烘干的温度为100～200℃。

9.权利要求1-8任一项所述的利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法，制备得到具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料。

10.权利要求9所述的具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料在钠离子电池负极材料中的应用。

技术总结本发明公开了一种利用生物质材料制备具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料的方法和应用，属于生物质硬碳制备和钠离子电池负极材料的技术领域。本发明将生物质材料与催化剂混合，进行低温催化碳化、高温精炼，制备得到生物质基硬碳材料。本发明通过催化剂来调控生物质硬碳碳微晶结构，制备获得的具有长程无序微晶结构的生物质基硬碳材料，更加有利于钠离子电池负极材料表现出稳定且优良的电化学性能。技术研发人员：孙康,李俊潇,张高月,王傲,吴迪超,周立敏受保护的技术使用者：中国林业科学研究院林产化学工业研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/27