一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，将生物质预制体清洗剪碎后进行干燥，加入浓硝酸进行均相反应，得反应产物；然后将反应产物抽滤烘干后在管式气氛炉中碳化，得碳化产物；将碳化产物进行洗涤抽滤，干燥后即得到多孔结构的生物炭；最后将生物碳加入到由偏钒酸铵在去离子水中得到的NH4VO3溶液，放入水热感应加热仪后即可得到生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料。本发明专利技术制得的生物碳/钒酸铵复合材料，具有优异的导电性能，且比容量和稳定性也得到了明显提高，本发明专利技术制备方法简单，反应温度低，反应时间短，且无需后续处理，对环境友好，可以适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法
本专利技术属于锂离子电池正极材料制备领域，具体涉及一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法。
技术介绍
钒氧化合物和钒酸盐嵌锂材料由于成本相对低廉，合成方法简单，比容量高等特点成为了近年来研究的热点。钒酸铵纳米材料作为一类重要的钒酸盐，具有钒氧多面体构成的层状结构，其中，NH4+位于钒氧多面体形成的层间，使其具有能嵌入金属离子的开放结构以及发生热致相变的特性。因此，钒酸铵通常具有较好的电传导性能，并有较高的理论比容量，有望成为一类新型的锂离子电池电极材料。目前制备NH4V3O8的方法主要有：沉淀法和水热法。其中，水热法是一种很有效的合成途径。合成的形貌也有梭状，花状和带状等。但是沉淀法合成NH4V3O8存在反应过程不易控制、有副反应发生、产物纯度低等缺点，水热法合成NH4V3O8存在反应温度相对较高、反应时间较长等缺点。并且钒酸铵由于其本身电导率小，导致其导电性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，按本专利技术的制备方法可以制备导电性能优异、比容量高、循环性能稳定以及寿命长的生物碳/钒酸氨复合材料。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将生物质预制体洗净清除表面杂质，剪碎得均匀块状A；(2)将均匀块状A干燥得块状B；(3)向块状B中加入浓硝酸后进行均相反应，得反应产物C；(4)将反应产物C抽滤烘干后进行碳化，得碳化产物D；(5)将碳化产物D加乙醇浸泡，再用蒸馏水和乙醇洗涤后抽滤，然后干燥，得到多孔结构的生物碳E；(6)将偏钒酸铵溶解于去离子水中，制得浓度为0.10～0.30mol/L的NH4VO3溶液F；(7)将NH4VO3溶液F的pH值调节为0.5～2.0，向NH4VO3溶液F中按照E:F为1:10～1:20的质量比加入生物碳E，再将得到的混合物转入反应釜中，将反应釜密封后，置于水热感应加热仪中，以400～800KHz的感应频率由室温升温到160～220℃，并保温10～30min，然后冷却到60～80℃，保温10～20min，得到悬浮液；(8)将悬浮液离心分离得到粉体产物，再将粉体产物分别用去离子水和无水乙醇浸泡及洗涤，然后干燥、研磨，得到NH4V3O8/C纳米复合物。进一步地，步骤(1)中生物质预制体为香蕉皮、虾壳、梧桐树叶、小麦秸秆或玉米秸秆中的一种。进一步地，步骤(1)中均匀块状A的边长尺寸为4～6mm。进一步地，步骤(2)中将均匀块状A在室温下干燥0.5～1h得块状B。进一步地，步骤(3)中浓硝酸的浓度为2～5mol·L-1。进一步地，步骤(3)中均相反应的条件为：以15℃/min的升温速率升温至150℃～180℃后保温20～50min，然后自然冷却到室温。进一步地，步骤(4)中将反应产物C抽滤烘干后移入管式气氛炉中碳化，所述管式气氛炉通入氮气，碳化的条件为：10min将管式气氛炉升温到50℃，75min升温到600～800℃后，并在此温度下保温60～180min。进一步地，步骤(8)中将粉体产物分别用去离子水和无水乙醇浸泡及洗涤的具体过程为：将粉体产物先用去离子水浸泡10～20min，然后用去离子水洗涤5～10次，再用无水乙醇浸泡10～20min，然后用无水乙醇洗涤5～10次。进一步地，步骤(8)中的干燥温度为80～110℃，时间为6～8h。一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将梧桐树叶洗净清除表面杂质，剪碎得边长尺寸为4mm的均匀块状A；(2)将均匀块状A在室温下干燥0.5h得块状B；(3)向块状B中加入浓度为2mol·L-1的浓硝酸后，以15℃/min的升温速率升温至150℃后保温20min，然后自然冷却到室温，得反应产物C；(4)将反应产物C抽滤烘干后移入管式气氛炉中进行碳化，管式气氛炉充满氮气，碳化的条件为：10min将管式气氛炉升温到50℃，75min升温到600℃后保温180min，得碳化产物D；(5)将碳化产物D加乙醇浸泡，然后用蒸馏水洗涤三次再用乙醇洗涤三次后抽滤，然后干燥，得到多孔结构的生物碳E；(6)将偏钒酸铵溶解于去离子水中，制得浓度为0.20mol/L的NH4VO3溶液F；(7)将NH4VO3溶液F的pH值调节为0.5，向NH4VO3溶液F中按照E:F为1:10的质量比加入生物碳E，再将得到的混合物转入反应釜中，将反应釜密封后，置于水热感应加热仪中，以400KHz的感应频率由室温升温到160℃，并保温10min，然后冷却到60℃，保温10min，得到悬浮液；(8)将悬浮液离心分离得到粉体产物，将粉体产物先用去离子水浸泡10min，然后用去离子水洗涤5次，再用无水乙醇浸泡10min，然后用无水乙醇洗涤5次，然后在80℃的温度下干燥6h，再对干燥后的固体产物研磨，得到多孔片状的NH4V3O8/C纳米复合物，即为生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术生物质预制体制得生物碳，采用生物碳及偏钒酸铵制备生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料，由于生物碳具有较大的层间距，不仅可以为锂离子的快速传输提供条件，增大材料的容量，还可以形成分子内氢键，稳定材料的结构，进而可以提高材料的循环稳定性。另外生物碳为结构疏松的有序多孔状材料，具有较大的比表面积，可有效增加电极材料与电解液的接触面积，进而可以显著改善材料的导电性。本专利技术将生物碳优异的导电性和钒酸氨高的比容量性有机地复合在了一起，制备出生物碳/钒酸铵复合材料，将变废为宝的生物碳与具有高比容量/钒酸铵材料进行了复合，为电子的迁移提供了很好的通道，增加了电子的迁移速度，提高了材料的导电性，可以更好地实现快充快放。本专利技术选择具有合成温度低、周期短的水热感应法合成生物碳/钒酸铵复合材料，制得的生物碳/钒酸铵复合材料，具有优异的导电性能(使得钒酸铵原有的的导电率获得数量级的提升)，且比容量(将钒酸铵原有260mAh/g的比容量提升到350mAh/g)也得到了明显提高，本专利技术制备方法简单，反应温度低，反应时间短，且无需后续处理，对环境友好，可以适合大规模生产。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的锂离子电池正极材料的X-射线衍射(XRD)图谱；图2是本专利技术实施例1步骤(5)得到的生物碳的扫描电镜(SEM)照片；图3是本专利技术实施例1制备的锂离子电池正极材料的扫描电镜(SEM)照片。具体实施方式下面对本专利技术的实施方式做进一步详细描述：一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将生物质预制体(生物质预制体为香蕉皮、虾壳、梧桐树叶、小麦秸秆或玉米秸秆中的一种)洗净清除表面杂质，剪碎得边长尺寸为4～6mm的均匀块状A；(2)将均匀块状A在室温下干燥0.5～1h得块状B；(3)向块状B中加入浓度为2～5mol·L-1的浓硝酸后进行均相反应，均相反应的条件为：以15℃/min的升温速率升温至150℃～180℃后保温20～50min，然后自然冷却到室温，得反应产物C；(4)将反应产物C抽滤烘干后移入管式气氛炉中进行碳化，管式气氛炉通入氮气，碳化的条件为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质预制体洗净清除表面杂质，剪碎得均匀块状A；(2)将均匀块状A干燥得块状B；(3)向块状B中加入浓硝酸后进行均相反应，得反应产物C；(4)将反应产物C抽滤烘干后进行碳化，得碳化产物D；(5)将碳化产物D加乙醇浸泡，再用蒸馏水和乙醇洗涤后抽滤，然后干燥，得到多孔结构的生物炭E；(6)将偏钒酸铵溶解于去离子水中，制得浓度为0.10～0.30mol/L的NH4VO3溶液F；(7)将NH4VO3溶液F的pH值调节为0.5～2.0，向NH4VO3溶液F中按照E:F为1:10～1:20的质量比加入生物碳E，再将得到的混合物转入反应釜中，将反应釜密封后，置于水热感应加热仪中，以400～800KHz的感应频率由室温升温到160～220℃，并保温10～30min，然后冷却到60～80℃，保温10～20min，得到悬浮液；(8)将悬浮液离心分离得到粉体产物，再将粉体产物分别用去离子水和无水乙醇浸泡及洗涤，然后干燥、研磨，得到NH4V3O8/C纳米复合物。

【技术特征摘要】
1.一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质预制体洗净清除表面杂质，剪碎得均匀块状A；(2)将均匀块状A干燥得块状B；(3)向块状B中加入浓硝酸后，以15℃/min的升温速率升温至150℃～180℃后保温20～50min，然后自然冷却到室温，得反应产物C；(4)将反应产物C抽滤烘干后进行碳化，得碳化产物D；(5)将碳化产物D加乙醇浸泡，再用蒸馏水和乙醇洗涤后抽滤，然后干燥，得到多孔结构的生物碳E；(6)将偏钒酸铵溶解于去离子水中，制得浓度为0.10～0.30mol/L的NH4VO3溶液F；(7)将NH4VO3溶液F的pH值调节为0.5～2.0，向NH4VO3溶液F中按照E:F为1:10～1:20的质量比加入生物碳E，再将得到的混合物转入反应釜中，将反应釜密封后，置于水热感应加热仪中，以400～800KHz的感应频率由室温升温到160～220℃，并保温10～30min，然后冷却到60～80℃，保温10～20min，得到悬浮液；(8)将悬浮液离心分离得到粉体产物，再将粉体产物分别用去离子水和无水乙醇浸泡及洗涤，然后干燥、研磨，得到NH4V3O8/C纳米复合物。2.根据权利要求1所述的一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中生物质预制体为香蕉皮、虾壳、梧桐树叶、小麦秸秆或玉米秸秆中的一种。3.根据权利要求1所述的一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中均匀块状A的边长尺寸为4～6mm。4.根据权利要求1所述的一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中将均匀块状A在室温下干燥0.5～1h得块状B。5.根据权利要求1所述的一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中浓硝酸的浓度为2～5mol·L-1。6.根据权利要求1所述的一种生物碳/钒酸铵锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中将反应产物C抽滤烘干后移入管式气氛炉中碳化，所述管式气氛炉通入氮气，碳化的条件为：10min将管式气氛炉升温到50℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，李瑞梓，李嘉胤，曹丽云，许占位，曹杉杉，李文斌，李多，郭强，李豆豆，仵婉晨，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61