一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料及其制备方法。所述植物纤维三维结构碳材料的制备方法是：将植物纤维浸入造孔剂硝酸盐溶液中，恒温浸润，烘干后在保护气氛中煅烧、磨粉，经盐酸与去离子水洗涤后，烘干。所述植物纤维三维结构碳材料呈三维多孔薄片状与长隧道结构，薄片厚度为5‑30nm。该植物纤维三维结构碳材料构建优异的导电网络，结合多孔，长隧道结构有利于电极材料离子的快速扩散，提高材料的利用率。该植物纤维三维结构碳材料表现出高比容量、优异的循环性能和高倍率性能。本发明专利技术制备方法简单可行，所用原材料来源丰富，具有环保特性。

The invention relates to a three-dimensional structure carbon material of a plant fiber used as a negative pole material of a lithium ion battery and a lithium ion battery, and a preparation method thereof

The invention discloses a three-dimensional structure carbon fiber of a plant fiber used as a negative pole material of a lithium ion battery and a lithium ion battery, and a preparation method thereof. Preparation method of carbon material of the plant fiber three-dimensional structure is: the plant fiber immersed in pore nitrate solution, temperature of calcination, infiltration, after drying in the protective atmosphere of flour with hydrochloric acid and deionized water washing, drying. The carbon material of the plant fiber is three-dimensional structure of three-dimensional porous sheet and long tunnel structure, slice thickness of 5 30nm. The plant fiber three-dimensional structure carbon material builds an excellent conductive network, combines porous and long tunnel structure, is favorable for the rapid diffusion of electrode material ions and improves the utilization ratio of materials. The three-dimensional structure carbon fiber showed high specific capacity, excellent cycle performance and high rate performance. The preparation method of the invention is simple and feasible, and the raw material used is rich in source and has environmental protection characteristics.

【技术实现步骤摘要】
一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料及其制备方法
本专利技术属于植物纤维碳材料
，具体涉及植物纤维三维结构碳材料及其制备方法。
技术介绍
碳材料在人类生活中占据着重要的位置，也是商业化锂离子电池在工业生产中重要的原料。碳材料具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和优良的导电性、化学稳定性等优点，是具有广泛用途的功能型材料之一。然而随着锂离子电池的广泛应用，锂资源面临逐步枯竭，为了缓解资源约束，钠离子电池开发和应用的需求逐步增加。钠离子具有原料丰富，比容量和效率较高，成本低等优点，在规模化储能及智能电网中有望实现广泛应用。由于钠与锂属于同一主族，具有相似的理化性质，钠离子电池与锂离子电池充放电原理基本一致，在充电时钠离子从正极材料脱出，经过电解液嵌入到负极材料，在放电时钠离子从负极材料脱出，经过电解液嵌入到正极材料。负极材料是钠离子电池与锂离子电池关键材料之一，本专利技术使用植物纤维三维结构碳为制备负极材料的原材料，其微观结构呈三维多孔薄片状与长隧道结构，片状厚度为5-30nm。三维多孔的碳材料构建优异的导电网络，结合多孔隧道结构有利于电极材料离子的快速扩散，提高材料的利用率，进而提高其容量、循环寿命及倍率性能。植物纤维三维结构碳材料表现出高比容量、优异的循环性能和倍率性能。本专利技术能利用生活中常见的各种植物纤维及其废弃物作为钠离子电池与锂离子电池负极材料原材料，此类原材料来源丰富，如一次性竹筷子之类，能重复利用，从而提高其使用效率，达到环保的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料及其制备方法。本专利技术制备方法工艺简单，原料来源丰富且廉价，具有环保特性。通过本专利技术制备方法合成的植物纤维三维结构碳材料表现出高比容量、优异的循环性能和倍率性能。一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料，其结构呈三维多孔薄片状与长隧道结构，片状材料厚度为5-30nm。该植物纤维三维结构碳材料能构建优异的导电网络，结合多孔道结构，有利于电极材料离子的快速扩散，提高电极材料的利用率，进而提高电极材料的容量、循环寿命及倍率性能。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的。一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)取植物纤维材料于硝酸盐溶液中密封浸润；(2)密封浸润后，取出植物纤维材料，烘干；(3)烘干的植物纤维材料在保护气氛下保温煅烧；(4)取出已碳化的植物纤维材料，压碎研磨至粉末状；(5)依次用0.5-3mol/L的盐酸及去离子水分别洗涤，烘干，得到干燥的黑色粉末状植物纤维三维结构碳材料。进一步地，步骤(1)中，所述植物纤维材料包括种子纤维系列、韧皮纤维系列、叶纤维系列、果实纤维系列或植物废弃纤维系列；所述种子纤维系列包括棉纤维或木棉纤维，所述韧皮纤维系列包括亚麻或竹纤维，所述叶纤维系列包括剑麻、菠萝纤维或蕉麻，所述果实纤维系列包括椰子纤维或菠萝果肉纤维，所述植物废弃纤维系列包括咖啡渣或使用后的一次性竹筷子。进一步地，步骤(1)中，所述硝酸盐为硝酸镁、硝酸钠和硝酸钾中的一种以上，所述硝酸盐溶液的浓度为0.1-10mol/L。进一步地，步骤(1)中，所述密封浸润的温度为60～100℃，密封浸润的时间为4-24h。进一步地，步骤(3)中，所述保护气氛为惰性气氛、还原气氛或混合气氛；所述惰性气氛为氮气或氩气，所述还原气氛指氢气；所述混合气氛为氮气-氢气混合气体或氩气-氢气混合气体，其中氢气的体积比例为0％-10％。进一步地，步骤(3)中，所述保温煅烧过程的升温速率为5-10℃/min，保温煅烧的温度为600-900℃，保温煅烧的时间为1-6h。进一步地，步骤(2)、(5)中，所述烘干是在烘箱60-100℃下干燥6-24h。本专利技术的目的之二是提供一种钠离子电池负极与锂离子电池负极用的植物纤维三维结构碳材料的用途，所述植物纤维三维结构碳材料用于制备钠离子二次电池与锂离子二次电池。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：(1)本专利技术植物纤维三维结构碳材料为无定型碳材料，加入的造孔剂硝酸盐含量越多，棒状纤维越少，三维多孔薄片碳越多，片状材料厚度为5-30nm；(2)本专利技术的植物纤维三维结构碳材料构建优异的导电网络，结合多孔，长隧道结构有利于电极材料离子的快速扩散，提高电极材料的利用率；(3)本专利技术植物纤维三维结构碳材料用作钠离子电池和锂离子电池负极，表现出高比容量、优异的循环性能和倍率性能；(4)本专利技术制备方法简单可行，所用原料来源丰富，具有环保性。附图说明图1为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度分别为0mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的XRD图谱；图2a为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的SEM图；图2b为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为2.5mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的SEM图；图2c为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.5mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的SEM图；图2d为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的SEM图；图2e为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的SEM截面图；图3为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度分别为0mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为钠离子电池负极材料100mA/g电流密度下循环50次容量图；图4为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度分别为0mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为钠离子电池负极材料1.0A/g电流密度下循环100次容量图；图5为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度分别为0mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为钠离子电池负极材料倍率性能图；图6为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为锂离子电池负极材料首次充放电曲线；图7为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为锂离子电池负极材料1.0A/g电流密度下循环140次容量图；图8为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为锂离子电池负极材料2.0A/g电流密度下循环200次容量图；图9为实施例1造孔剂硝酸镁溶液浓度为0.75mol/L制得的棉花纤维三维结构碳材料的作为锂离子电池负极材料倍率性能图。具体实施方式以下实施例可以更好地理解本专利技术，但本专利技术不局限于以下实施例。实施例1制备棉花纤维材料三维结构碳材料：(1)配制0mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.75mol/L硝酸镁溶液各20mL，取1.5g脱脂棉花纤维充分浸入硝酸镁溶液中；(2)完全浸润并密封保存于60℃烘箱内24h后，取出，将脱脂棉花纤维置于80℃烘箱内干燥24h；(3)烘干的脱脂棉花纤维在氮气气氛下以8℃/min的升温速率升温至8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料，其特征在于：所述植物纤维三维结构碳材料的微观结构呈三维多孔薄片状与长隧道结构，片状材料厚度为5‑30nm。

【技术特征摘要】
1.一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料，其特征在于：所述植物纤维三维结构碳材料的微观结构呈三维多孔薄片状与长隧道结构，片状材料厚度为5-30nm。2.制备权利要求1所述的一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）取植物纤维材料于硝酸盐溶液中密封浸润；（2）密封浸润后，取出植物纤维材料，烘干；（3）烘干的植物纤维材料在保护气氛下保温煅烧；（4）取出已碳化的植物纤维材料，压碎研磨至粉末状；（5）依次用0.5-3mol/L的盐酸及去离子水分别洗涤，烘干，得到干燥的黑色粉末状植物纤维三维结构碳材料。3.根据权利要求2所述的一种作为钠离子电池与锂离子电池负极材料的植物纤维三维结构碳材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述植物纤维材料包括种子纤维系列、韧皮纤维系列、叶纤维系列、果实纤维系列或植物废弃纤维系列；所述种子纤维系列包括棉纤维或木棉纤维，所述韧皮纤维系列包括亚麻或竹纤维，所述叶纤维系列包括剑麻、菠萝纤维或蕉麻，所述果实纤维系列包括椰子纤维或菠萝果肉纤维，所述植物废弃纤维系列包括咖啡渣或使用后的一次性竹筷子。4.根据权利要求2所述的一种作为钠离子电池与锂离子电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成浩，熊嘉雯，熊训辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44