一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法

1.本发明涉及电极材料技术领域，特别是涉及一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法。


背景技术：

2.钠离子电池凭借钠资源储量丰富、价格低廉、安全性高等优势，引起了广泛关注和研究，成为最有希望用于大规模储能系统的一项电池技术。
3.现有研究发现，正极材料如聚阴离子化合物和层状氧化物因其制备简单、能量密度高而成功地应用于钠离子电池。制约钠离子电池技术发展的一个重要因素是缺少合适的负极材料。目前常用的负极材料包括金属氧化物、硫化物、磷化物、金属合金和有机材料，均存在循环性能差、体积膨胀大、库仑效率低等问题，限制了其在钠离子电池中的应用。
4.硬炭具有来源广泛以及低成本等优势，因此提高硬炭材料的电化学储能，并将硬炭作为钠离子电池负极材料，可有望解决钠离子电池负极材料成本高以及循环性能差等问题。
5.甘蔗渣是一种丰富的农业废弃的副产品，常常被大量遗弃或烧毁，造成资源浪费和空气污染。甘蔗渣中半纤维素、木质素和纤维素的高含量使其成为制备硬炭材料的合适碳源，将甘蔗渣制成硬炭材料，不仅可以有效节约资源，还可以避免环境污染，实现变废为宝的目的。但是传统硬炭加工方法存在周期长且能耗高，以及制备的硬炭材料电化学性能不稳定，因此利用甘蔗渣制成一种性能优良且成本低的钠离子电池负极材料用的硬炭材料是目前行业研究的热点。


技术实现要素：

6.基于此，本发明的目的是提供一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法，该方法是利用微波烧结(ms)或放电等离子体烧结(sps)技术，对甘蔗渣进行高温炭化，该炭化的加热速度快、加热均匀，同时还具有易控制、节能高效、无毒绿色等特点。本发明不仅能够缩短炭化周期，同时还能够有效调节硬炭材料的结构，获得优异的储钠性能。
7.本发明是采用以下技术方案实现的：
8.一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法，包括以下步骤：
9.(1)将甘蔗渣粉末在惰性气氛保护下升温至350～480℃，进行低温炭化处理，得到中间产物；
10.(2)将中间产物置于微波烧结炉或放电等离子体烧结炉中，在惰性气氛保护下升温至900～1500℃进行高温炭化处理，冷却后得到硬炭材料。
11.优选的，步骤(1)或(2)所述的惰性气氛为氮气或氩气。
12.优选的，步骤(1)的升温速率为10～15℃/min，低温炭化的时间为1～5h。
13.优选的，步骤(2)中微波烧结炉的烧结功率为500～2000w，高温炭化时间为30～100min。
14.优选的，步骤(2)放电离子体烧结炉的升温速率50～250℃/min，高温炭化时间为
10～20min。
15.本发明另一目的是提供了一种硬质材料，其是利用本发明的上述方法制备而成。本发明的硬质材料可以作为钠离子电池负极材料进行使用。
16.与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：
17.本发明提供了一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法，该方法不仅能够缩短炭化时间，同时还能显著提高炭化材料的电化学性能，使得利用该硬质材料制成的负极材料具有优异的充放电性能。
附图说明
18.图1为实施例1制备的硬炭材料的xrd图；
19.图2为实施例1制备的硬炭材料的sem图；
20.图3为实施例1制备的钠离子电池负极的充放电曲线图；
21.图4为实施例1制备的钠离子电池负极的循环性能图；
22.图5为实施例4制备的钠离子电池负极的倍率性能图。
具体实施方式
23.下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.实施例1
26.一种对甘蔗渣进行快速碳化的方法，具体步骤如下：
27.(1)制备甘蔗渣粉末：将甘蔗渣进行经清洗、烘干、粉碎后，得到甘蔗渣粉末；
28.(2)低温碳化：将甘蔗渣粉末在氮气气氛下，以10℃/min升温速率升温至350℃，保温5h，自然冷却至室温后得到中间产物；
29.(3)微波高温碳化：将中间产物置于微波炉中，调节氮气流量(1l/min)吹扫30min后，进行微波烧结，微波功率为1000w，控制烧结温度为1300℃，烧结时间60min，冷却至室温得到硬炭材料。
30.将制备的硬炭材料进行xrd分析，如图1所示，在衍射角2θ为22.4
°
和43.4
°
处存在两个宽化的衍射峰，对应于无定形炭的(002)和(101)晶面，说明该实例制备的硬炭材料为无定形结构的硬炭材料。
31.将制备的硬炭材料利用扫描电子显微镜进行观察，如图2所示，该材料为不规则颗粒状，平均粒径为5.5微米。
32.将上述硬炭材料制成钠离子电池负极片，具体操作如下：
33.将18.8g上述电池负极材料与1.2g海藻酸钠混合均匀，加入40ml去离子水研磨形成浆料，然后把浆料均匀涂覆于铜箔上，其中料在铜箔上的涂覆量为8.5mg/cm2，80℃干燥12小时后，裁成直径为10mm的圆形负极片。
34.使用1mol/lnapf6的乙二醇二甲醚(dme)溶液作为电解液，cegard2400和钠金属片作为隔膜和对电极，并利用上述圆形负极片组装成cr2025扣式电池。
35.在室温下以50ma/g电流密度下进行充放电测试，充放电测试电压范围为0.01～2.0v。本发明上述负极片的充放电曲线如图3所示，充放电曲线由斜坡区和0.1v的平台区组成。循环性能如图4所示，首次可逆比容量为266mah/g，首次库伦效率为94％，循环100圈后容量保持率96％。
36.实施例2
37.一种对甘蔗渣进行快速碳化的方法，具体步骤如下：
38.(1)制备甘蔗渣粉末：将甘蔗渣进行经清洗、烘干、粉碎后，得到甘蔗渣粉末；
39.(2)低温碳化：将甘蔗渣粉末在氮气气氛下，以15℃/min升温速率升温至480℃，保温1h，自然冷却至室温后得到中间产物；
40.(3)微波高温碳化：将中间产物置于微波炉中，调节氮气流量(1l/min)吹扫30min后，进行微波烧结，微波功率为2000w，控制烧结温度为1500℃，烧结时间30min，冷却至室温得到硬炭材料。
41.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
42.经测试，该负极在50ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为248mah/g，首次库伦效率为92％，循环10圈后容量保持率为99％。
43.实施例3
44.一种对甘蔗渣进行快速碳化的方法，具体步骤如下：
45.(1)制备甘蔗渣粉末：将甘蔗渣进行经清洗、烘干、粉碎后，得到甘蔗渣粉末；
46.(2)低温碳化：将甘蔗渣粉末在氮气气氛下，以10℃/min升温速率升温至450℃，保温2h，自然冷却至室温后得到中间产物；
47.(3)微波高温碳化：将中间产物置于微波炉中，调节氮气流量(1l/min)吹扫30min后，进行微波烧结，微波功率为2000w，控制烧结温度为1500℃，烧结时间30min，冷却至室温得到硬炭材料。
48.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
49.经测试，该负极在50ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为250mah/g，首次库伦效率为93％。
50.实施例4
51.一种对甘蔗渣进行快速碳化的方法，具体步骤如下：
52.(1)制备甘蔗渣粉末：将甘蔗渣进行经清洗、烘干、粉碎后，得到甘蔗渣粉末；
53.(2)低温碳化：将甘蔗渣粉末在氮气气氛下，以10℃/min升温速率升温至400℃，保温4h，自然冷却至室温后得到中间产物；
54.(3)放电等离子体高温碳化：将中间产物置于放电等离子体烧结炉中，在氮气气氛保护下，以50℃/min升温至1100℃，保温烧结20min，冷却至室温得到硬炭材料。
55.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
56.经测试，该负极的倍率性能如图5所示，该负极在25ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为263mah/g，首次库伦效率为87％。在500ma/g的电流密度下，负极的可逆比容量为234mah/g；在1000ma/g的电流密度下，负极的可逆比容量为219mah/g。
57.实施例5
58.一种对甘蔗渣进行快速碳化的方法，具体步骤如下：
59.(1)制备甘蔗渣粉末：将甘蔗渣进行经清洗、烘干、粉碎后，得到甘蔗渣粉末；
60.(2)低温碳化：将甘蔗渣粉末在氮气气氛下，以15℃/min升温速率升温至400℃，保温3h，自然冷却至室温后得到中间产物；
61.(3)放电等离子体高温碳化：将中间产物置于放电等离子体烧结炉中，在氮气气氛保护下，以100℃/min升温至1300℃，保温烧结15min，冷却至室温得到硬炭材料。
62.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
63.经测试，该负极在50ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为249mah/g，首次库伦效率为92％。
64.实施例6
65.一种对甘蔗渣进行快速碳化的方法，具体步骤如下：
66.(1)制备甘蔗渣粉末：将甘蔗渣进行经清洗、烘干、粉碎后，得到甘蔗渣粉末；
67.(2)低温碳化：将甘蔗渣粉末在氮气气氛下，以10℃/min升温速率升温至450℃，保温4h，自然冷却至室温后得到中间产物；
68.(3)放电等离子体高温碳化：将中间产物置于放电等离子体烧结炉中，在氮气气氛保护下，以250℃/min升温至1500℃，保温烧结10min，冷却至室温得到硬炭材料。
69.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
70.经测试，该负极在50ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为253mah/g，首次库伦效率为87％。
71.对比例1
72.一种硬炭材料的制备方法，具体步骤如下：
73.将甘蔗渣粉末置于烧结炉中，在氮气气氛下，以5℃/min升温至1000℃，保温2h后冷却至室温，得到硬炭材料。
74.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
75.经测试，该负极在50ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为213mah/g，首次库伦效率为81％。
76.对比例2
77.一种硬炭材料的制备方法，具体步骤如下：
78.将甘蔗渣粉末置于烧结炉中，在氮气气氛下，以5℃/min升温至1100℃，保温2h后冷却至室温，得到硬炭材料。
79.利用上述硬炭材料按照实施例1的方法制成电极片以及进行电池的组装，并进行充放电测试方法，该测试方法与实施例1相同。
80.经测试，该负极在50ma/g的电流密度下，负极的首次可逆比容量为220mah/g，首次库伦效率为83％。
81.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
82.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将甘蔗渣粉末在惰性气氛保护下升温至350～480℃，进行低温炭化处理，得到中间产物；(2)将中间产物置于微波烧结炉或放电等离子体烧结炉中，在惰性气氛保护下升温至1100～1550℃进行高温炭化处理，冷却后得到硬炭材料。2.根据权利要求1所述对甘蔗渣进行快速炭化的方法，其特征在于，步骤(1)或(2)所述的惰性气氛为氮气或氩气。3.根据权利要求1所述对甘蔗渣进行快速炭化的方法，其特征在于，步骤(1)的升温速率为10～15℃/min，低温炭化的时间为1～5h。4.根据权利要求1所述对甘蔗渣进行快速炭化的方法，其特征在于，步骤(2)中微波烧结炉的烧结功率为500～2000w，高温炭化时间为30～100min。5.根据权利要求1所述对甘蔗渣进行快速炭化的方法，其特征在于，步骤(2)放电离子体烧结炉的升温速率50～250℃/min，高温炭化时间为10～20min。6.一种硬炭材料，其特征在于，利用权利要求1～5任意一项方法制备而成。7.根据权利要求6所述硬炭材料作为钠离子电池负极材料的应用。

技术总结
本发明公开了一种对甘蔗渣进行快速炭化的方法，涉及炭化材料技术领域。本发明将甘蔗渣粉末先进行低温炭化处理，然后利用微波烧结炉或放电等离子烧结炉进行高温炭化处理，从而获得一种硬炭材料。本发明不仅能够缩短炭化时间，同时还能显著提高炭化材料的电化学性能，使得利用该硬炭材料制成的负极具有优异的充放电性能。放电性能。放电性能。


技术研发人员：邓健秋 葛猛 姚青荣 刘鹏 王凤 龙乾新
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/7/31