DE112022000884T5 - Herstellungsverfahren eines hartkohlenstoff-anodenmaterials und dessen verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Offenbarung gehört zum technischen Gebiet der Natrium-Ionen-Batteriematerialien und offenbart ein Herstellungsverfahren eines Hartkohlenstoff-Anodenmaterials und dessen Verwendung. Das Herstellungsverfahren enthält die folgenden Schritte: Durchführen eines ersten Sinterns von Stärke, Zerkleinern und Einbringen von Luft und Stickstoff für ein zweites Sintern, um poröse harte Block-Körnchen zu erhalten; und Durchführen eines dritten Sinterns von den porösen harten Block-Körnchen und dann kontinuierliches Erwärmen, um ein viertes Sintern zum Erhalten des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials durchzuführen. Das durch die Offenbarung hergestellte Hartkohlenstoff-Anodenmaterial weist eine reversible Kapazität von nicht weniger als 330 mAh/g, ausgezeichnete Zyklenstabilität und initiale Coulomb-Effizienz auf.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung gehört zum technischen Gebiet der Natrium-Ionen-Batteriematerialien und betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren eines Hartkohlenstoff-Anodenmaterials und dessen Verwendung.
  • HINTERGRUND
  • Mit der Popularisierung von Fahrzeugen neuer Energie ist der Verbrauch von Lithium-Ionen-Batterien stark gestiegen. Dementsprechend sind Nickel, Kobalt und Mangan, die wichtige Ressourcen in den Lithium-Batterien sind, mit der Zeit knapp und ihre Preise sind stufenweise gestiegen. Um den Abbau von Bodenschätzen zu entlasten, haben Natrium-Ionen-Batterien mit ähnlichen Lade- und Entlademechanismen wie die Lithium-Batterien wieder Aufmerksamkeit der Leute auf sich gezogen. Natriumsalze werden auf der ganzen Welt vertrieben, was den Druck, der durch die Verknappung der Nickel-, Kobalt- und Manganressourcen verursacht wird, wirksam entlasten kann. Der üblicherweise in den Lithium-Ionen-Batterien verwendete Anodengraphit ist jedoch nicht für Natrium-Ionen-Batterien geeignet, da der Durchmesser von Natrium-Ionen größer ist als der von Lithium-Ionen, was eine Deinterkalation zwischen Graphitschichten unmöglich macht. Hinzu kommt, dass die Natrium-Ionen mit dem Graphit keine stabile Phasenstruktur bilden können. Zu der gleichen Zeit wurden auch andere Anodenmaterialien der Natrium-Ionen-Batterien untersucht, enthaltend graphitierten Hartkohlenstoff, Legierungen, Oxide und organische Verbindungen. Gegenwärtig werden die meisten Anodenmaterialien jedoch bei der Natrium-Ionen-Interkalation eine große Volumenausdehnung aufweisen, was zu einem irreversiblen Kapazitätsabfall führt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, mindestens eine der vorstehend genannten technischen Probleme des Standes der Technik zu lösen. Daher stellt die vorliegende Offenbarung ein Herstellungsverfahren für ein Hartkohlenstoff-Anodenmaterial und dessen Verwendung bereit. Das nach dem Herstellungsverfahren hergestellte Hartkohlenstoff-Anodenmaterial weist eine reversible Kapazität von nicht weniger als 350 mAh/g, ausgezeichnete Zyklenstabilität und initiale Coulomb-Effizienz auf.
  • Um die obige Aufgabe zu erreichen, werden in der vorliegenden Offenbarung die folgenden technischen Lösungen verwendet.
  • Ein Herstellungsverfahren eines Hartkohlenstoff-Anodenmaterials schließt die folgenden Schritte ein:
    • (1) Durchführen eines ersten Sinterns von Stärke, Zerkleinern und Einbringen von Luft und Stickstoff für ein zweites Sintern, um poröse harte Block-Körnchen zu erhalten; und
    • (2) Durchführen eines dritten Sinterns der porösen harten Block-Körnchen und dann kontinuierliches Erwärmen, um ein viertes Sintern zum Erhalten des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials durchzuführen.
  • Für den Schritt des Einbringens von Luft und Stickstoff für das zweite Sintern: Die Sauerstoffkonzentration in der Luft beträgt etwa 20,7 %, und nach der Verdichtung durch einen Luftkompressor beträgt die Sauerstoffkonzentration etwa 16 %. In der vorliegenden Offenbarung werden Stickstoff und Luft zur gleichen Zeit eingebracht, um die Sauerstoffkonzentration in der Luft zu verdünnen, so dass die Sauerstoffkonzentration gesteuert werden kann. Beim Steuern der Sauerstoffkonzentration in einen geeigneten Bereich, wird einerseits das Sicherheitsproblem in dem Sinterprozess verbessert, andererseits werden Sauerstoffmoleküle eingebracht, um die Sauerstoffmoleküle dazu zu bringen, vollständig zu reagieren. Ein Teil der Sauerstoffmoleküle reagiert mit Kohlenstoff, um sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen als aktive Stellen zu bilden, während ein anderer Teil der Sauerstoffmoleküle mit einem Teil des Kohlenstoffs reagiert, um CO und CO2 zu bilden, was zu der Bildung von Poren an der Oberfläche und im Inneren des Materials führt. Die Poren tragen zur Speicherung von Natrium-Ionen bei und verbessern so die elektrochemischen Leistungen des Materials.
  • Bevorzugt ist in Schritt (1) die Stärke mindestens eine, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Maisstärke, Mungobohnenstärke, Kartoffelstärke, Weizenstärke, Tapiokastärke oder Lotuswurzelstärke.
  • Bevorzugt wird in Schritt (1) das erste Sintern unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
  • Bevorzugt wird in Schritt (1) das erste Sintern bei einer Temperatur von 180°C bis 240°C durchgeführt und dauert das erste Sintern 8 Stunden bis 48 Stunden.
  • Das erste Sintern wird in der Stickstoffatmosphäre durchgeführt, um Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Glukoseketten in der Stärke zum Erzeugen von Etherbindungen und Verursachen einer Vernetzungsreaktion aufzubrechen, was die chemische Struktur der Hartfeststoffe stabil macht und bei einer höheren Temperatur nicht pyrolysiert und expandiert werden sollte.
  • Bevorzugt beträgt in Schritt (1) ein Volumengehalt des Sauerstoffs bei dem zweiten Sintern 4 % bis 10 %.
  • Bevorzugt wird in Schritt (1) das zweite Sintern bei einer Temperatur von 200°C bis 250°C durchgeführt und dauert das zweite Sintern 3 Stunden bis 12 Stunden.
  • Das zweite Sintern wird unter Sauerstoff durchgeführt: 2C+O2 = 2CO; und C+O2 = CO2.
  • Bei dem zweiten Sinterprozess reagieren die Sauerstoffmoleküle vollständig mit dem Material, um die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen als aktive Stellen zu bilden, und zur gleichen Zeit reagiert der Sauerstoff mit etwas Kohlenstoff, um CO und CO2 zu bilden, was zu der Bildung der Poren an der Oberfläche und im Inneren des Materials führt. Die Poren tragen zur Speicherung der Natrium-Ionen bei und verbessern so die elektrochemischen Leistungen des Materials.
  • Bevorzugt enthält das Verfahren in Schritt (2) vor dem dritten Sintern ferner den Schritt des Zerkleinerns der porösen harten Block-Körnchen zu Körnchen mit einer Partikelgröße Dv50 von 5 µm bis 6 µm.
  • Bevorzugt wird in Schritt (2) das dritte Sintern bei einer Temperatur von 400°C bis 500°C durchgeführt und dauert das dritte Sintern 2 Stunden bis 4 Stunden.
  • Bevorzugt wird in Schritt (2) das dritte Sintern unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
  • Im dritten Sinterprozess werden die porösen Hartstoffe aromaten-zyklisiert.
  • Bevorzugt wird in Schritt (2) das vierte Sintern bei einer Temperatur von 1.200°C bis 1.400°C durchgeführt und dauert das vierte Sintern 2 Stunden bis 4 Stunden.
  • Bevorzugt wird in Schritt (2) das vierte Sintern unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
  • Bei dem vierten Sinterprozess kann die sauerstoffhaltige funktionelle Gruppe und gebundenes Wasser des Hartkohlenstoff-Materials entfernt werden, so dass die Struktur weiterhin neu angeordnet werden kann und der Durchmesser und die spezifische Oberfläche der Poren verringert werden können, was durch sauerstoffarmes Sintern verursacht wird. Übermäßige Poren und eine bestimmte Oberfläche können zu übermäßigen SEI-Schichten führen und folglich die initiale Coulomb-Effizienz verringern.
  • Bevorzugt weist das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial in Schritt (2) eine Partikelgröße Dv50 von 4 µm bis 6 µm und eine Dv90 von 9 µm bis 12 µm auf.
  • Ein Hartkohlenstoff-Anodenmaterial, das nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellt ist und eine reversible Kapazität von nicht weniger als 330 mAh/g aufweist.
  • Bevorzugt ist der Hauptbestandteil des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials C, der einer aus amorphen Kohlenstoffen ist, aber bei einer hohen Temperatur oberhalb von 2500°C schwer zu graphitisieren ist. Die Morphologie des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials ist ein Block-Körnchen mit glatter Kante.
  • Bevorzugt weist das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial eine spezifische Oberfläche von 0,8 m2/g bis 1,2 m2/g, eine Dv50 von 4 µm bis 6 µm und eine Dv90 von 9 µm bis 12 µm auf.
  • Eine Natrium-Ionen-Batterie enthält das durch das oben erwähnte Herstellungsverfahren hergestellte Hartkohlenstoff-Anodenmaterial.
  • Bevorzugt enthält die Natrium-Ionen-Batterie weiterhin Natriumcarboxymethylcellulose, ein leitfähiges Mittel und ein Bindemittel.
  • Weiterhin bevorzugt ist das leitfähige Mittel Acetylenschwarz.
  • Weiterhin bevorzugt ist das Bindemittel Polyvinylidenfluorid.
  • Vergleichen mit dem Stand der Technik weist die vorliegende Offenbarung die folgenden vorteilhaften Effekte auf.
    • (1) Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die Stärke als das Rohmaterial des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials verwendet, und nach viermaligem Sintern werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Glukoseketten in der Stärke aufgebrochen, um die Etherbindungen zu erzeugen und die Vernetzungsreaktion zu verursachen. Dann wird das zweite Sintern in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt, in der die Sauerstoffmoleküle vollständig mit dem Material reagieren, um die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen als die aktiven Stellen zu bilden, und zu der gleichen Zeit reagiert der Sauerstoff mit etwas Kohlenstoff, um CO und CO2 zu bilden, was zu der Bildung der Poren auf der Oberfläche und im Inneren des Materials führt. Die Poren tragen zu der Speicherung der Natrium-Ionen bei und verbessern so die elektrochemischen Leistungen des Materials. Dann wird das dritte Sintern fortgesetzt, um die porösen Hartfeststoffe aromaten-cyclisiert bzw. aromatisch-cyclisiert zu machen. Schließlich werden in dem vierten Sinterprozess die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen und gebundenes Wasser der Hartkohlenstoff-Materialien entfernt, so dass die Struktur weiterhin neu angeordnet wird, der Durchmesser und die spezifische Oberfläche der Poren, verursacht durch das Niedrig-Sauerstoff-Sintern, verringert werden können, und die initiale Coulomb-Effizienz verbessert wird. Das in der vorliegenden Offenbarung hergestellte Hartkohlenstoff-Anodenmaterial weist eine reversible Kapazität von nicht weniger als 330 mAh/g und eine initiale Coulomb-effizienz von nicht weniger als 88 % auf.
    • (2) Das mehrstufige Sinterverfahren der vorliegenden Offenbarung kann Hochleistungs-Hartkohlenstoff-Materialien herstellen, und das Syntheseverfahren der vorliegenden Offenbarung ist einfach und leicht zu handhaben. Das Rohmaterial ist Stärke, die eine umfangreiche Quelle aufweist und billiger ist als die Zucker- und Zelluloserohmaterialien, die gegenwärtig verwendet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist das REM-Diagramm des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials, das in Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
    • 2 ist die Öffnung-Verteilungs-Kurve des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials, das in Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
    • 3 ist das XRD-Diagramm des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials, das in Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde; und
    • 4 ist die Lade-Entlade-Kurve des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials in Beispiel 2 der vorliegenden Offenbarung.
  • ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
  • Die Konzepte und die technischen Effekte, die durch die vorliegende Offenbarung erzeugt werden, werden in Verbindung mit den Ausführungsformen und den beigefügten Zeichnungen klar und vollständig beschrieben werden, um die Gegenstände, die Merkmale und die Effekte der vorliegenden Offenbarung hinreichend zu verstehen. Offensichtlich sind die beschriebenen Ausführungsformen lediglich einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eher als alle Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen, die von Fachleuten ohne schöpferische Anstrengung erhalten werden, fallen alle in den Schutzumfang dieser Offenbarung.
  • Beispiel 1
  • Das Herstellungsverfahren des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials dieses Beispiels enthielt die folgenden Schritte.
    • (1) Wiegen von 500 g Maisstärke und Platzieren der Maisstärke in einen 220°C-Niedertemperaturofen unter der Stickstoffatmosphäre zum ersten Sintern für 8 Stunden, um eine Vernetzungsreaktion zu verursachen und Hartfeststoffe zu erhalten;
    • (2) Zerkleinern der Hartfeststoffe, Platzieren der Hartfeststoffe in einen 205°C-Niedertemperaturofen, in den Stickstoff und Druckluft eingebracht sind, für das zweite Sintern für 12 Stunden und Halten des Sauerstoffgehalts in dem Ofen bei 5 %, um poröse schwarze Körnchen zu erhalten; und
    • (3) Zerkleinern der porösen schwarzen Körnchen zu Pulvern mit Dv50 von 5 µm von 6 µm, Platzieren der Pulver in der Stickstoffatmosphäre für das dritte Sintern bei 400 °C für zuerst 2 Stunden und dann Erwärmen auf 1.400 °C für das vierte Sintern für 2 Stunden, um das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial zu erhalten.
  • Das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial aus Beispiel 1, Natriumcarboxymethylcellulose, ein leitfähiges Acetylenschwarz-Mittel und ein PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Bindemittel wurden in deionisiertem Wasser in dem Massenverhältnis von 95:2:1:2 gelöst, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wurde dann auf eine Kupferfolie aufgetragen, um eine Elektrodenplatte zu erhalten, und dann wurde die Elektrodenplatte in einem Trockenschrank bei 80°C für 8 Stunden getrocknet. Schließlich wurde eine Knopfbatterie in einer Glovebox montiert, die mit Argonatmosphäre gefüllt war. Der verwendete Elektrolyt wurde durch Lösen von NaClO4 in Ethylencarbonat und Propylencarbonat im Volumenverhältnis 1:1 hergestellt, und eine Natriummetallfolie wurde als eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode verwendet.
    • 1 ist das REM-Diagramm des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials aus Beispiel 1. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Morphologie des Materials ein Block-Körnchen mit glatter Kante war.
    • 2 ist die Öffnung-Verteilungs-Kurve des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials aus Beispiel 1. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Porenbreite in dem Material unterhalb von 3 nm konzentriert war.
    • 3 ist die XRD-Kurve des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials aus Beispiel 1. Aus der Figur war ersichtlich, dass der Beugungspeak (002) eine größere Halbpeakbreite und einen kleineren Winkel aufwies, was darauf hindeutet, dass der Unordnungsgrad des Materials höher und der Zwischenschichtabstand größer war.
  • Beispiel 2
  • Das Herstellungsverfahren des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials dieses Beispiels enthielt die folgenden Schritte.
    • (1) Wiegen von 500 g Maisstärke und Platzieren der Maisstärke in einen 220°C-Niedertemperaturofen unter der Stickstoffatmosphäre zum ersten Sintern für 8 Stunden, um eine Vernetzungsreaktion zu verursachen und Hartfeststoffe zu erhalten;
    • (2) Zerkleinern der Hartfeststoffe, Platzieren der Hartfeststoffe in einen 205°C-Niedertemperaturofen, in den Stickstoff und Druckluft eingebracht war, für das zweite Sintern für 12 Stunden und Halten des Sauerstoffgehalts in dem Ofen bei 7 %, um poröse schwarze Körnchen zu erhalten; und
    • (3) Zerkleinern der porösen schwarzen Körnchen zu Pulvern mit Dv50 von 5 µm von 6 µm, Platzieren der Pulver in der Stickstoffatmosphäre für das dritte Sintern bei 400 °C für zuerst 2 Stunden und dann Erwärmen auf 1.400 °C für das vierte Sintern für 2 Stunden, um das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial zu erhalten.
  • Das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial aus Beispiel 2, Natriumcarboxymethylcellulose, ein leitfähiges Acetylenschwarz-Mittel und ein PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Bindemittel wurden in deionisiertem Wasser in dem Massenverhältnis von 95:2:1:2 gelöst, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wurde dann auf eine Kupferfolie aufgetragen, um eine Elektrodenplatte zu erhalten, und dann wurde die Elektrodenplatte in einem Trockenschrank bei 80°C für 8 Stunden getrocknet. Schließlich wurde eine Knopfbatterie in einer Glovebox montiert, die mit Argonatmosphäre gefüllt war. Der verwendete Elektrolyt wurde durch Lösen von NaClO4 in Ethylencarbonat und Propylencarbonat in dem Volumenverhältnis 1:1 hergestellt, wobei eine Natriummetallfolie als eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode verwendet wurde.
  • 4 ist die Lade-Entlade-Kurve des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials in Beispiel 2 der vorliegenden Offenbarung. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die spezifische Ladekapazität des Materials so hoch wie 336,7 mAh/g war und die initiale Effizienz so hoch wie 88,19 % war, was darauf hinweist, dass das in Beispiel 2 hergestellte Hartkohlenstoff-Anodenmaterial eine hohe reversible Kapazität und initiale Effizienz aufwies.
  • Beispiel 3
  • Das Herstellungsverfahren des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials dieses Beispiels enthielt die folgenden Schritte.
    • (1) Wiegen von 500 g Maisstärke und Platzieren der Maisstärke in einen 220°C-Niedertemperaturofen unter der Stickstoffatmosphäre zum ersten Sintern für 8 Stunden, um eine Vernetzungsreaktion zu verursachen und Hartfeststoffe zu erhalten;
    • (2) Zerkleinern der Hartfeststoffe, Platzieren der Hartfeststoffe in einen 205°C-Niedertemperaturofen mit Stickstoff und Druckluft für 12 Stunden für das zweite Sintern und Halten des Sauerstoffgehalts in dem Ofen bei 9 %, um poröse schwarze Körnchen zu erhalten; und
    • (3) Zerkleinern der porösen schwarzen Körnchen zu Pulvern mit Dv50 von 5 µm von 6 µm, Platzieren der Pulver in der Stickstoffatmosphäre für das dritte Sintern bei 400 °C für zuerst 2 Stunden und dann Erwärmen auf 1.400 °C für das vierte Sintern für 2 Stunden, um das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial zu erhalten.
  • Das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial aus Beispiel 3, Natriumcarboxymethylcellulose, ein leitfähiges Acetylenschwarz-Mittel und ein PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Bindemittel wurden in deionisiertem Wasser im Massenverhältnis von 95:2:1:2 gelöst, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wurde dann auf eine Kupferfolie aufgetragen, um eine Elektrodenplatte zu erhalten, und dann wurde die Elektrodenplatte in einem Trockenschrank bei 80°C für 8 Stunden getrocknet. Schließlich wurde eine Knopfbatterie in einer Glovebox montiert, die mit Argonatmosphäre gefüllt war. Der verwendete Elektrolyt wurde durch Lösen von NaClO4 in Ethylencarbonat und Propylencarbonat im Volumenverhältnis 1:1 hergestellt, und eine Natriummetallfolie wurde als eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode verwendet.
  • Vergleichsbeispiel 1 (ohne drittes und viertes Sintern)
  • Das Herstellungsverfahren des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials dieses Vergleichsbeispiels enthielt die folgenden Schritte.
    • (1) Wiegen von 500 g Maisstärke und Platzieren der Maisstärke in einen 220°C-Niedertemperaturofen unter der Stickstoffatmosphäre zum ersten Sintern für 8 Stunden, um eine Vernetzungsreaktion zu verursachen und Hartfeststoffe zu erhalten, und
    • (2) Zerkleinern der Hartfeststoffe, Platzieren der Hartfeststoffe in einen 205 °C Niedertemperaturofen, in den Stickstoff und Druckluft eingebracht war, für das zweite Sintern für 12 Stunden und Halten des Sauerstoffgehalts im Ofen bei 5%, um das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial zu erhalten.
  • Das Hartkohlenstoff-Material des Vergleichsbeispiels 1, Natriumcarboxymethylcellulose, ein leitfähiges Acetylenschwarz-Mittel und ein PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Bindemittel wurden in deionisiertem Wasser in dem Massenverhältnis von 95:2:1:2 gelöst, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wurde dann auf eine Kupferfolie aufgetragen, um eine Elektrodenplatte zu erhalten, und dann wurde die Elektrodenplatte in einem Trockenschrank bei 80°C für 8 Stunden getrocknet. Schließlich wurde eine Knopfbatterie in einer Glovebox montiert, die mit Argonatmosphäre gefüllt war. Der verwendete Elektrolyt wurde durch Lösen von NaClO4 in Ethylencarbonat und Propylencarbonat im Volumenverhältnis 1:1 hergestellt, und eine Natriummetallfolie wurde als eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode verwendet.
  • Vergleichsbeispiel 2 (ohne aerobes Sintern)
  • Das Herstellungsverfahren des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials dieses Vergleichsbeispiels enthielt die folgenden Schritte.
    • (1) Wiegen von 500 g Maisstärke und Platzieren der Maisstärke in einen 220°C-Niedertemperaturofen unter der Stickstoffatmosphäre zum Sintern für 8 Stunden, um eine Vernetzungsreaktion zu verursachen und Hartfeststoffe zu erhalten, und
    • (2) Zerkleinern der Hartfeststoffe zu Pulvern mit Dv50 von 5 µm von 6 µm, Platzieren der Pulver in der Stickstoffatmosphäre für das zweite Sintern bei 400 °C für zuerst 2 Stunden und dann Erwärmen auf 1.400 °C für das dritte Sintern für 2 Stunden, um das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial zu erhalten.
  • Das Hartkohlenstoff-Material des Vergleichsbeispiels 2, Natriumcarboxymethylcellulose, ein leitfähiges Acetylenschwarz-Mittel und ein PVDF (Polyvinylidenfluorid)-Bindemittel wurden in deionisiertem Wasser in dem Massenverhältnis von 95:2:1:2 gelöst, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wurde dann auf eine Kupferfolie aufgetragen, um eine Elektrodenplatte zu erhalten, und dann wurde die Elektrodenplatte in einem Trockenschrank bei 80°C für 8 Stunden getrocknet. Schließlich wurde eine Knopfbatterie in einer Glovebox montiert, die mit Argonatmosphäre gefüllt war. Der verwendete Elektrolyt wurde durch Lösen von NaClO4 in Ethylencarbonat und Propylencarbonat im Volumenverhältnis 1:1 hergestellt, und eine Natriummetallfolie wurde als eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode verwendet.
  • Physikali sch-chemi sche Leistungen:
  • Tabelle1 zeigte den Vergleich spezifischer Oberflächen zwischen den Proben, die in den Beispielen 1, 2 und 3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellt wurden, feststellend, dass mit der Erhöhung des Sauerstoffgehalts in dem Sinterprozess die spezifische Oberfläche des Materials leicht zunimmt, während der Karbonisierungsprozess die Struktur des Materials neu anordnete, die Poren füllte und die spezifische Oberfläche reduzierte. Die spezifische Oberfläche des Vergleichsbeispiels 1 war zu groß, da das Kohlenstoffmaterial nicht aromaten-cyclisiert und karbonisiert war. Die spezifische Oberfläche des Hartkohlenstoff-Materials in Vergleichsbeispiel 2 war sehr gering, da das aerobe Sintern nicht ausgeführt wurde. Tabelle 1 Versuchsdaten der spezifischen Oberflächen der Hartkohlenstoff-Materialien, die in den Beispielen 1, 2 und 3 sowie in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellt wurden
    Probe Spezifische Oberfläche (m2/g)
    Beispiel 1 0,83
    Beispiel 2 1,02
    Beispiel 3 1,17
    Vergleichsbeispiel 1 18,16
    Vergleichsbeispiel 2 0,15
  • Elektrochemische Leistungen:
  • Tabelle 2 zeigt den Vergleich zwischen den elektrochemischen Leistungen zwischen den Proben, die in den Beispielen 1, 2 und 3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellt wurden, feststellend, dass mit der Erhöhung des Sauerstoffgehalts indem Sinterprozess sowohl die spezifische Kapazität als auch die initiale Effizienz der hergestellten Materialien zunahmen, aber die übermäßige spezifische Oberfläche zu einer großen Zunahme der SEI-Schichten führte, was zu der Abnahme der spezifischen Kapazität und der initialen Effizienz führte. Tabelle 2 Versuchsdaten der elektrochemischen Leistungen von Hartkohlenstoff-Materialien, die in den Beispielen 1, 2 und 3 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellt wurden
    Probe Spezifische Ladekapazität (mAh g-1) Coulomb-Effizienz (%)
    Beispiel 1 331,2 85,75
    Beispiel 2 336,7 88,19
    Beispiel 3 337,1 86,29
    Vergleichsbeispiel 1 269,2 66,12
    Vergleichsbeispiel 2 285,3 74,69
  • Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Änderungen können im Rahmen des Wissens des Durchschnittsfachmanns vorgenommen werden, ohne die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Darüber hinaus können, wenn kein Konflikt besteht, die Ausführungsformen in der vorliegenden Offenbarung und die Merkmale in den Ausführungsformen miteinander kombiniert werden.

Claims (10)

  1. Herstellungsverfahren eines Hartkohlenstoff-Anodenmaterials, enthaltend die folgenden Schritte: (1) Durchführen eines ersten Sinterns von Stärke, Zerkleinern und Einbringen von Luft und Stickstoff für ein zweites Sintern, um poröse harte Block-Körnchen zu erhalten; und (2) Durchführen eines dritten Sinterns von den porösen harten Block-Körnchen und dann kontinuierliches Erwärmen, um ein viertes Sintern zum Erhalten des Hartkohlenstoff-Anodenmaterials durchzuführen.
  2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (1) die Stärke mindestens eine ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Maisstärke, Mungobohnenstärke, Kartoffelstärke, Weizenstärke, Tapiokastärke oder Lotuswurzelstärke.
  3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (1) das erste Sintern bei einer Temperatur von 180°C bis 240°C durchgeführt wird und das erste Sintern 8 bis 48 Stunden dauert.
  4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (1) ein Volumengehalt an Sauerstoff in einer Atmosphäre des zweiten Sinterns 4 % bis 10 % beträgt.
  5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (1) das zweite Sintern bei einer Temperatur von 200°C bis 250°C durchgeführt wird und das zweite Sintern 3 bis 12 Stunden dauert.
  6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (2) das dritte Sintern bei einer Temperatur von 400°C bis 500°C durchgeführt wird und das dritte Sintern 2 bis 4 Stunden dauert; und das dritte Sintern in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
  7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (2) das vierte Sintern bei einer Temperatur von 1.200°C bis 1.400°C durchgeführt wird und das vierte Sintern 2 bis 4 Stunden dauert.
  8. Hartkohlenstoff-Anodenmaterial, hergestellt nach dem Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial eine reversible Kapazität von nicht weniger als 330 mAh/g aufweist.
  9. Hartkohlenstoff-Anodenmaterial nach Anspruch 8, wobei das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial eine spezifische Oberfläche von 0,8 m2/g bis 1,2 m2/g, eine Dv50 von 4 µm bis 6 µm und eine Dv90 von 9 µm bis 12 µm aufweist.
  10. Natrium-Ionenbatterie, enthaltend das Hartkohlenstoff-Anodenmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 9.
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