本發(fā)明屬于鈉離子電池負(fù)極材料，涉及一種基于離子液體處理的纖維素衍生硬碳負(fù)極材料的制備方法及在鈉離子電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源需求的快速增長(zhǎng)和化石燃料資源的日益枯竭，開(kāi)發(fā)高效、可持續(xù)的能源存儲(chǔ)技術(shù)已成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需求。鈉離子電池(sibs)因其鈉資源豐富、成本低廉以及與鋰離子電池相似的工作原理，被認(rèn)為是大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要候選技術(shù)之一。然而，鈉離子電池的發(fā)展受到負(fù)極材料性能的限制。傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料由于鈉離子嵌入困難，難以滿足高容量和長(zhǎng)循環(huán)壽命的要求。因此，開(kāi)發(fā)適合鈉離子存儲(chǔ)的新型負(fù)極材料成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

2、硬碳材料因其獨(dú)特的無(wú)序結(jié)構(gòu)和豐富的納米孔隙，能夠有效存儲(chǔ)鈉離子，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，成為鈉離子電池負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)。特別是以生物質(zhì)為前驅(qū)體制備的硬碳材料，不僅來(lái)源廣泛、成本低廉，而且具有可調(diào)控的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。纖維素作為一種豐富的天然生物質(zhì)資源，具有可再生、環(huán)境友好和低成本的優(yōu)勢(shì)，是制備硬碳材料的理想前驅(qū)體。然而，傳統(tǒng)的纖維素碳化工藝存在反應(yīng)溫度高、能耗大、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)難以調(diào)控等問(wèn)題，限制了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。

3、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于離子液體預(yù)處理的纖維素衍生硬碳材料制備方法。離子液體作為一種綠色溶劑，具有低揮發(fā)性、高熱穩(wěn)定性和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)預(yù)處理和材料合成領(lǐng)域。利用離子液體對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，可以有效破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，改變其微觀晶體排列，從而提高其反應(yīng)活性。這種預(yù)處理方法能夠在后續(xù)碳化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)硬碳材料微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，例如優(yōu)化孔隙分布、增加缺陷位點(diǎn)以及調(diào)控閉孔數(shù)量，從而顯著提升硬碳材料的電化學(xué)性能。

4、目前關(guān)于離子液體處理纖維素制備硬碳負(fù)極材料的研究仍處于起步階段，其工藝優(yōu)化和性能調(diào)控機(jī)制尚不明確。因此，開(kāi)發(fā)一種基于離子液體處理的纖維素衍生硬碳負(fù)極材料，并探索其在鈉離子電池中的應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明旨在通過(guò)優(yōu)化離子液體處理工藝和碳化條件，制備出高性能的硬碳負(fù)極材料，為鈉離子電池的發(fā)展提供新的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于離子液體處理的纖維素衍生鈉離子電池硬碳負(fù)極材料。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種基于離子液體處理的纖維素衍生硬碳負(fù)極材料的制備方法，首先利用離子液體對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)離子液體的獨(dú)特溶解性和反應(yīng)活性，破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并提高其反應(yīng)活性；隨后，將預(yù)處理后的纖維素在惰性氣氛下進(jìn)行高溫碳化，制備出具有豐富納米孔隙和優(yōu)異電化學(xué)性能的硬碳材料。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

4、(1)將纖維素加入到離子液體中，控制纖維素質(zhì)量g和離子液體體積ml的比例為6：24～100：24，將混合物置于60～80℃水浴中，在磁力攪拌器上持續(xù)攪拌8h，直至纖維素完全分散在離子液體中，得到纖維素-離子液體混合物；

5、(2)將上述分散均勻的纖維素-離子液體混合物轉(zhuǎn)移至石英舟中，確保纖維素-離子液體混合物均勻平鋪，并在ar氣體環(huán)境下以5℃/min的升溫速率至1400℃，保持1h，得到碳化后的硬碳材料；

6、(3)將碳化后的硬碳材料取出，用洗滌劑反復(fù)洗滌，去除殘留的離子液體和其他雜質(zhì)，將洗滌后的材料在80℃真空干燥箱中干燥12小時(shí)，得到硬碳負(fù)極材料hc-ils-1400。

7、所述的洗滌劑包括鹽酸溶液和去離子水，鹽酸溶液和去離子水交替洗滌，所述鹽酸溶液的摩爾濃度為0.5-1.2m。

8、步驟(1)中，離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽或1-丁基吡啶氯鹽。

9、上述的制備方法得到的硬碳負(fù)極材料作為鈉離子電池負(fù)極材料的使用。

10、本發(fā)明的有益效果：通過(guò)離子液體處理纖維素，有效破壞了纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高了其反應(yīng)活性，使得碳化后得到的硬碳材料具有更豐富的納米孔隙和更高的比表面積，從而顯著提升了鈉離子電池的比容量和倍率性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于離子液體處理的纖維素衍生硬碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的洗滌劑包括鹽酸溶液和去離子水，鹽酸溶液和去離子水交替洗滌，所述鹽酸溶液的摩爾濃度為0.5-1.2m。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽或1-丁基吡啶氯鹽。

4.權(quán)利要求1-3任一所述的制備方法得到的硬碳負(fù)極材料作為鈉離子電池負(fù)極材料的使用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于鈉離子電池負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于離子液體處理的纖維素衍生硬碳負(fù)極材料的制備方法及在鈉離子電池中的應(yīng)用。本發(fā)明首先利用離子液體對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)離子液體的獨(dú)特溶解性和反應(yīng)活性，破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并提高其反應(yīng)活性；隨后，將預(yù)處理后的纖維素在惰性氣氛下進(jìn)行高溫碳化，制備出具有豐富納米孔隙和優(yōu)異電化學(xué)性能的硬碳材料。該硬碳材料作為鈉離子電池負(fù)極，表現(xiàn)出高比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的倍率性能。本發(fā)明提供的硬碳負(fù)極材料制備工藝簡(jiǎn)單，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，為鈉離子電池的高性能負(fù)極材料開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)路徑。

技術(shù)研發(fā)人員：顏洋,楊慧琴,李紅偉,白東升,黃晗煒,付凱峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15