一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法，首先，将干燥好的荔枝壳放在管式炉中，焙烧至250~300℃预碳化3~4小时，得到预碳化的荔枝壳，进而将预碳化荔枝壳与活化剂按照一定的质量比分散于去离子水中，然后放置于管式炉中，焙烧至500~850℃，保温3~4小时，得到多孔碳材料。本制备过程中方法相对简单、生产成本低廉、原料丰富，材料具有较多的微孔，得到的多孔性正极材料具有良好的电化学性能，所装配的锌离子电池具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法
本专利技术属于电池
，具体为水系锌离子二次电池正极材料的制备方法。
技术介绍
锌离子电池具有成本低、安全性高、环境友好等特点，被认为是替代锂离子电池作为动力电源较好选择。有关锌电池正极材料的研究相对较少，而且其正极材料的可选择余地较小，因此正极材料是制约锌离子电池发展的关键问题。多孔碳具有比表面积大、导电性好、化学稳定性高等优点，近些年因在气体分离、水净化、电池、超级电容器和催化剂等方面的广泛应用而倍受关注。若利用生物质来制备碳材料，如农业废弃物、木材类原料、竹类植物和木质素等可再生资源作碳源，不仅其来源丰富，而且符合循环经济和可持续性发展的国家政策。近来，有研究者采用在N2气氛中800℃直接热分解醋酸纤维素来制备多孔碳材（ChemistryMaterials，2002，14:2940－2945．）。孙利采用化学浸渍氧化－碳化法以松木锯末为原料制备了氮掺杂的纳米级多孔碳，其比表面积和孔容分别达到2153m2/g和1.37cm3/g（博士学位论文，大连理工大学，2013．）。Kurosaki等通过急剧加热木屑得到了多层分级结构的多孔碳材，其比表面积为372m2/g（Carbon，2008，46(6):850-857）。可见，利用生物质来制备多孔碳材料，廉价易得且性能优良，同时实现了废弃物的循环再利用和碳材料的可持续发展，因此具有广泛的研发前景。
技术实现思路
本专利技术目的是将荔枝壳预碳化后与活性剂按一定的比例混合，最后活化得到多孔碳材料。利用多孔碳的多孔性能提高锌离子电池正极材料的电化学性能。该方法原料储量丰富、可再生、廉价、对环境无害，制备过程相对简单，所制备的多孔性正极材料具有良好的稳定性和电化学性能。为实现本专利技术的目的，提供以下技术方案：（1）将荔枝壳与一定量的去离子水在超声波作用下洗涤1~2小时，然后在80~90℃真空烘箱中干燥10~18小时；（2）取步骤（1）中干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以2~3℃/分钟速率升温至250~300℃，保温3小时，自然冷却至室温，研磨均匀；（3）将步骤（2）中所得预碳化荔枝壳粉末与KOH、NaOH或ZnCl2按质量比1:0~5，加入到一定量的去离子水中，在超声波的作用下分散1~2小时，将所得混合物在45~60℃的鼓风干燥箱中干燥12~16小时；（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以5~10℃/分钟速率升温至500~850℃，保温3~4小时，自然冷却至室温，将得到黑色固体研磨均匀；（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料、导电剂和粘结剂按照质量比8:1:1混合，并滴加适量N-甲基吡咯烷酮，用球磨机球磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，在110~120℃下真空干燥10~12小时，得到正极材料。进一步的，根据权利要求1所述步骤（2）中预碳化温度为300℃，时间为3小时。进一步的，根据权利要求1所述步骤（3）中预碳化荔枝壳粉末与KOH、NaOH或ZnCl2的最佳质量比1:4。进一步的，根据权利要求1所述步骤（3）中活化温度为800℃，时间为3小时。进一步的，根据权利要求1所述步骤（5）中导电剂为乙炔黑、导电碳黑、石墨烯或碳纳米管中的至少一种。进一步的，根据权利要求1所述步骤（5）中粘结剂为聚偏氯乙烯、丙烯腈多元共聚物或丁苯橡胶中的一种。本专利技术的特点该方法制备过程简单、原料成本低廉、无污染，所得电极材料比表面积大、导电性好。具体实施方式实施例1：（1）将荔枝壳清洗干净，取3g荔枝壳与500ml的去离子水在室温下超声波作用下洗涤1小时，然后在80℃真空干燥12小时；（2）取上述步骤（1）中的干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，300℃，保温3小时，升温速率为3℃/min，取出坩埚，得到的黑色固体使用研钵研磨成粉末；（3）将步骤（2）所得预碳化荔枝壳粉末与KOH按预碳化荔枝壳:KOH的质量比1:3，加入到10ml的去离子水中，在超声波的作用下洗涤1小时，将所得混合物在鼓风干燥箱中以45℃干燥12小时；（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，800℃，保温3小时，升温速率为5℃/min，取出坩埚，将得到的黑色固体研磨均匀；（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料0.16g、乙炔黑0.02g和聚偏氟乙烯0.02g，滴加适量N-甲基吡咯烷酮，用球磨机研磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，110℃下真空干燥10小时，得到正极材料。实施例2：（1）将荔枝壳清洗干净，取3g荔枝壳与500ml的去离子水在室温下超声波作用下洗涤1小时，然后在80℃真空干燥12小时；（2）取上述步骤（1）中的干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，300℃，保温3小时，升温速率为3℃/min，取出坩埚，得到的黑色固体使用研钵研磨成粉末；（3）将步骤（2）所得预碳化荔枝壳粉末与NaOH按预碳化荔枝壳:NaOH的质量比1:4，加入到10ml的去离子水中，在超声波的作用下洗涤1小时，将所得混合物在鼓风干燥箱中以45℃干燥12小时；（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，800℃，保温3小时，升温速率为5℃/min，取出坩埚，将得到黑色固体研磨均匀；（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料0.24g、导电碳黑0.03g和丙烯腈-丙烯酸甲酯0.03g，滴加适量N-甲基吡咯烷酮，用球磨机研磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，110℃下真空干燥12小时，得到正极材料。实施例3：（1）将荔枝壳清洗干净，取3g荔枝壳与500ml的去离子水在室温下超声波作用下洗涤1小时，然后在80℃真空干燥12小时；（2）取上述步骤（1）中的干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，300℃，保温3小时，升温速率为3℃/min，取出坩埚，得到的黑色固体使用研钵研磨成粉末；（3）将步骤（2）所得预碳化荔枝壳粉末与ZnCl2按预碳化荔枝壳:ZnCl2的质量比1:5，加入到10ml的去离子水中，在超声波的作用下洗涤1小时，将所得混合物在鼓风干燥箱中以45℃干燥12小时；（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，800℃，保温3小时，升温速率为5℃/min，取出坩埚，将得到黑色固体研磨均匀；（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料0.184g、石墨烯0.023g和丁苯橡胶0.023g，滴加适量N-甲基吡咯烷酮，用球磨机研磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，110℃下真空干燥12小时，得到正极材料。实施例4：（1）将荔枝壳清洗干净，取3g荔枝壳与500ml的去离子水在室温下超声波作用下洗涤1小时，然后在80℃真空干燥12小时；（2）取上述步骤（1）中的干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，300℃，保温3小时，升温速率为3℃/min，取出坩埚，得到的黑色固体使用研钵研磨成粉末；（3）将步骤（2）所得预碳化荔枝壳粉末与KOH按预碳化荔枝壳:KOH的质量比1:4，加入到10ml的去离子水中，在超声波的作用下洗涤1小时，将所得混合物在鼓风干燥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将荔枝壳用一定量的去离子水在超声波作用下洗涤1~2小时，然后在80~90℃真空烘箱中干燥12~18小时；（2）取步骤（1）中干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以2~3℃/分钟速率升温至250~350℃，保温2~4小时，自然冷却至室温，研磨均匀；（3）将步骤（2）中所得预碳化荔枝壳粉末与活化剂按质量比1:0~5，加入到一定量的去离子水中，在超声波的作用下分散1~2小时，将所得混合物在45~60℃的鼓风干燥箱中干燥12~16小时；（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以5~10℃/分钟速率升温至600~850℃，保温3~4小时，自然冷却至室温，将得到黑色固体研磨均匀；（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料、导电剂和粘结剂按照质量比8:1:1混合，并滴加适量N‑甲基吡咯烷酮，用球磨机球磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，在100~120℃下真空干燥10~12小时，得到正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将荔枝壳用一定量的去离子水在超声波作用下洗涤1~2小时，然后在80~90℃真空烘箱中干燥12~18小时；（2）取步骤（1）中干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以2~3℃/分钟速率升温至250~350℃，保温2~4小时，自然冷却至室温，研磨均匀；（3）将步骤（2）中所得预碳化荔枝壳粉末与活化剂按质量比1:0~5，加入到一定量的去离子水中，在超声波的作用下分散1~2小时，将所得混合物在45~60℃的鼓风干燥箱中干燥12~16小时；（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以5~10℃/分钟速率升温至600~850℃，保温3~4小时，自然冷却至室温，将得到黑色固体研磨均匀；（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料、导电剂和粘结剂按照质量比8:1:1混合，并滴加适量N-甲基吡咯烷酮，用球磨机球磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，在100~...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟良，马世超，吴珊，王一凡，孙明，任慢慢，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37