本技术涉及负极材料技术,详细描述了一种木质纤维素基硬碳活性材料的制备工艺。该工艺包括将木质纤维素生物质置于含有均质剂的溶液中,在特定温度下进行液相改性处理,之后进行固液分离以收集改性后的硬碳材料。
背景技术
近年来,可再生能源的开发利用和零排放电动汽车的应用作为限制碳排放的有效途径而备受关注。为实现能源转型与可持续发展,开发高效、低成本的移动和固定式储能系统刻不容缓。作为目前最先进的储能技术之一,锂离子电池被广泛应用于电子设备、交通运输及无线电通讯等领域。但是,丰富的应用场景和有限且分布不均的锂资源将导致锂离子电池在零排电动汽车和大规模储能领域的应用受到限制。由于成本较低且工作原理相似,钠离子电池被认为是锂离子电池的有益补充。
由于热力学因素和层间距较小的问题,钠离子电池通常以硬碳材料作为负极而非商业化的石墨材料。硬碳指难以石墨化的碳材料,其微观结构中既包含短碳层形成的石墨微晶又包含无定型区域,该结构特征使硬碳材料可提供较多的储钠位点,具有较高的比容量。
在硬碳材料的众多前驱体中,生物质因其来源广泛和成本低廉的优势而被认为是最有应用前景的前驱体之一。作为地球上最丰富的生物资源,木质纤维素类物质是一种以纤维素、半纤维素和木质素为主要组分的生物聚合物,包含农业废物、农业衍生物、植物、木材等众多种类,来源十分广泛。然而,化学组分复杂和性质不稳定等特性将对其衍生硬碳材料的电化学性能产生不利影响,给大规模生产和应用带来了挑战。此外,在前驱体性质和制备工艺的共同影响下,所得硬碳材料表现出湍层无序化结构,复杂的结构特征对其储钠性能具有决定性作用因此,开发低成本、高效率的生物质前驱体性质调控及热处理工艺有助于解决生物质基硬碳负极材料的一致性和稳定性问题,同时实现其储钠性能的进一步提升。
现有技术通常采用化学预处理对生物质的性质进行调控,通过控制高温碳化阶段的温度和时间对硬碳材料微观结构进行控制。例如,公开号为CN117613268A的中国专利文献中利用氢氧化钠和亚氯酸钠混合溶液对木质纤维素生物质进行改性处理,以降低其中的木质素含量,优选方案下的钠离子电池表现出259.3mAh/g的可逆容量和82.1%的首周库伦效率。公开号为CN118173787A的中国专利文献对酯化改性的生物质进行三次碳化制备硬碳负极材料,该材料表现出较高的储钠容量,以及良好的倍率性能和循环稳定性。公开号为CN115259136A的中国专利文献将从生物质中提取出的木质素与造孔剂混合,接着依次进行预碳化和高温碳化,得到硬碳材料,其结构中丰富的微孔使该材料的首次放电容量较高,但首次库伦效率有待提升。
综上,针对木质纤维素类生物质前驱体性质和硬碳孔结构调控以及热处理工艺的研究还比较匮乏,工艺的普适性、硬碳材料可逆储钠容量和倍率性能仍有待进一步提高。
实现思路