本發(fā)明涉及鈉離子電池負極材料，尤其涉及一種一步壓力誘導的煤基致密硬炭負極材料及其制備方法和一種低溫鈉離子電池。

背景技術(shù)：

1、全球能源轉(zhuǎn)型的加速推進促進了儲能市場對大規(guī)模低成本儲能器件的需求。鈉離子電池作為一種低成本、資源豐富的儲能解決方案，正逐漸引起人們的廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有的鈉離子電池在低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)不佳，限制了其在嚴寒地區(qū)的廣泛應(yīng)用，尤其是在電動汽車和戶外儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域。高能量密度的鈉離子電池的研究對實現(xiàn)規(guī)模儲能及其低溫嚴酷環(huán)境中的應(yīng)用具有重要的科學意義和實用價值，而負極在低電位下的長儲鈉平臺以及高的致密度，對提高的電池能量密度具有至關(guān)重要的意義。因此，開發(fā)具有高振實密度、首周庫倫效率和低電位平臺容量的新型負極材料是發(fā)展高能量密度鈉離子電池負極材料的關(guān)鍵。

2、炭材料具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、形貌結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、制備方法多樣性、成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用為鈉離子電池的負極材料。雖然以煤炭為原料，通過選煤、炭化即可制得煤基炭材料，但直接炭化變質(zhì)程度高的無煙煤得到的炭材料有序度高，儲鈉容量低；而直接炭化變質(zhì)程度低的褐煤則存在炭化收率低、材料振實密度低的問題。科研工作者通過預氧化處理、模板法、化學氣相沉積法等手段，可提高煤基炭材料的電化學儲鈉性能，但都存在工藝流程復雜、需另外添加模板劑或活化劑、需要模板去除工藝等問題。在壓制工藝的應(yīng)用中，通常需要另外一種以上輔助原料以實現(xiàn)交聯(lián)聚合，在壓制前需要將各原料進行球磨混合，壓制過程中需要特殊形狀的模具，壓制成片劑后還需進行預熱活化等多步前期處理，最后進行炭化，得到多相復合材料。但都存在相界面的問題，包括離子擴散阻力大、多相混合的均勻性難以控制、體積能量密度的降低等。上述現(xiàn)有工藝都導致了制備成本提高以及工藝過程難以控制，難以實現(xiàn)實際應(yīng)用。

3、綜上所述，亟需開發(fā)一種低成本、簡單高效、可控性高的鈉離子電池炭負極材料制備方法，以滿足目前儲能領(lǐng)域?qū)︹c離子電池的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種一步壓力誘導的煤基致密硬炭負極材料及其制備方法和一種低溫鈉離子電池，用以解決現(xiàn)有鈉離子電池負極材料制備工藝復雜、效率低、可控性差的技術(shù)問題。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種一步壓力誘導的煤基致密硬炭負極材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將脫灰處理的煤系前驅(qū)體破碎后進行物理壓制成致密體；

5、(2)將致密體在保護氣體下進行炭化處理，之后進行破碎、酸洗，得到煤基硬炭負極材料；

6、所述炭化處理為一步熱處理，所述一步熱處理的溫度為1000～2200℃。進一步的，所述脫灰處理的煤系前驅(qū)體包含褐煤、煙煤、無煙煤、煤瀝青、石油瀝青、煤焦和石油焦中的一種或幾種。

7、進一步的，所述破碎的粒徑≤200目。

8、進一步的，所述物理壓制的壓力為0.5～50mpa，物理壓制的時間為1～30min。

9、進一步的，所述保護氣體包含惰性氣體或真空環(huán)境。

10、進一步的，所述一步熱處理的時間為1～8h，升溫速率為0.5～10℃/min。

11、本發(fā)明還提供了一種煤基致密硬炭負極材料。

12、本發(fā)明還提供了一種低溫鈉離子電池，由負極極片、對電極和gf/d玻璃纖維隔膜組裝得到；

13、所述負極極片是由煤基致密硬炭負極材料、乙炔黑和羧甲基纖維素鈉混合后涂覆于銅箔上得到的；所述對電極為鈉片。

14、本發(fā)明的有益效果：

15、1、本發(fā)明通過簡單的物理壓制增強炭前驅(qū)體分子間交聯(lián)后，即可炭化處理獲得具有高振實密度的致密硬炭材料。無需長時間氣相預氧化或hno3液相氧化等促進交聯(lián)的工藝，也不需其他模板、活化劑等輔助材料或復雜的處理過程，即可獲得高密度、高儲鈉性能的硬炭負極材料。

16、2、通過調(diào)控壓制過程的壓力和時間，可以調(diào)節(jié)前驅(qū)物分子間的交聯(lián)程度，調(diào)節(jié)前驅(qū)體分子的空間分布密度和分子間距離，從而控制炭片層的生長空間，調(diào)節(jié)硬炭中的閉孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)高振實密度的提高以及鈉離子在低電位下的高容量存儲，基于一步壓力誘導的煤基致密硬炭負極材料具有微觀結(jié)構(gòu)的可控性。

17、3、將本發(fā)明所述基于一步壓力誘導的煤基致密硬炭應(yīng)用為鈉離子電池負極材料，該方法與未壓制或未控制壓制壓力所得炭材料相比，可實現(xiàn)同步顯著提高振實密度、首周庫倫效率和比容量，并且顯著提升在0.1v以下低電壓平臺容量，并且在低溫下具有明顯的性能優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種一步壓力誘導的煤基致密硬炭負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述脫灰處理的煤系前驅(qū)體包含褐煤、煙煤、無煙煤、煤瀝青、石油瀝青、煤焦和石油焦中的一種或幾種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述破碎的粒徑≤200目。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述物理壓制的壓力為0.5～50mpa，物理壓制的時間為1～30min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述保護氣體包含惰性氣體或真空環(huán)境。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4或5所述的制備方法，其特征在于，所述一步熱處理的時間為1～8h，升溫速率為0.5～10℃/min。

7.權(quán)利要求1～6任意一項所述的制備方法制備得到的煤基致密硬炭負極材料。

8.一種低溫鈉離子電池，其特征在于，由負極極片、對電極和gf/d玻璃纖維隔膜組裝得到；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種一步壓力誘導的煤基致密硬炭負極材料及其制備方法和一種低溫鈉離子電池，屬于鈉離子電池負極材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將脫灰處理的煤系前驅(qū)體進行壓制處理后經(jīng)高溫炭化、酸洗處理得致密煤基炭材料。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：無需預氧化、化學交聯(lián)等前序步驟和去除輔助助劑的后序步驟，僅通過壓力壓制炭前驅(qū)體即可提高分子間交聯(lián)度，并通過改變壓制壓力可調(diào)控前驅(qū)體分子的空間分布密度，控制炭片層發(fā)育空間，調(diào)節(jié)致密硬炭負極的閉孔結(jié)構(gòu)，工藝簡單、可設(shè)計性強的優(yōu)勢。將所得炭材料作為鈉離子電池負極材料，與未壓制或未控制壓制壓力所得炭材料相比，可實現(xiàn)同步顯著提高振實密度、首周庫倫效率、容量與倍率性能，并且顯著提升在0.1V以下低電壓平臺容量，并且在低溫下具有明顯的性能優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：陳亞鑫,劉張有,石利濼,楊潤龍,董良,鞠治成,莊全超
受保護的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10