一种生物质锂离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，具体公开了一种生物质锂离子电池负极材料及其制备方法，包括纤维素的提取、将纤维素、壳聚糖分别溶解于离子液体中在一定温度时间下充分搅拌获得纺丝液，采用同轴针头的高压静电纺丝装置对纤维素和壳聚糖纺丝液进行同轴纺丝，后在惰性气氛保护下置于管式炉或高温炭化炉中炭化得到核壳碳纳米复合纤维膜，将核壳碳纳米复合纤维膜分别在一定条件下的硝酸、二甲基甲酰胺、氯化亚砜和胺基化合物进行活化，最后将活化好的碳纳米复合纤维膜浸入石墨烯分散液中，取出后烘干得到生物质基锂离子电池负极材料。本发明专利技术原料来源丰富、可再生，作为锂离子电池负极材料具有良好的比容量、循环稳定性和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质锂离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种生物质锂离子电池负极材料及其制备方法，尤其涉及一种锂离子电池用石墨烯/生物质多孔碳纳米复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
由于经济的快速发展，人们对能源的需求也与日俱增，目前商业化的锂离子电池负极材料主要为来源于天然矿石和煤焦油等的石墨。一方面化石能源日益紧缺已满足不了逐步扩大的锂电池市场；另一方面，石墨负极材料由于理论比容量较低(372mAhg-1)，而实际比容量更低(大约330mAhg-1)，倍率性能不佳，循环性能差，放电电压低易造成锂沉积而引起安全问题，已满足不了高能量锂离子电池的要求，因此开发可再生且性能优异的负极材料已迫在眉睫。天然生物质材料来源广泛、成本低廉、环境友好且炭化后具有碳质结构特征是一种极具潜力的负极材料。石墨烯是碳的同素异形体，是具有六角环的蜂窝式层状结构的平面薄膜，仅一个碳原子层厚度，用作锂离子电池负极材料时，石墨烯的电化学储能性能优于石墨，充电速度比石墨快十倍，且锂离子电池的负载能力也会得到提升。另外，氮掺杂改性也是一种有效提高碳材料电化学性能的方法，氮原子能够提高碳材料的电荷转移效率，使其导电能力提升；氮掺杂使碳材料的孔结构增多，使更多的活性位点暴露出来，有利于提高材料的反应活性，具有非常重要的应用价值。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种具有优异的电化学性能的生物质多孔碳材料的制备方法，上述生物质多孔碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔径分布合理、性能优异等优点。为达到以上目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种生物质锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)从农林废弃生物质内提取纤维素；(2)静电纺丝液的制备：所述静电纺丝液包括纤维素纺丝液和壳聚糖纺丝液，在常温下分别将纤维素和壳聚糖粉末溶解于离子液体中；(3)纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜的制备：采用配置有同轴针头的高压静电纺丝装置对纤维素和壳聚糖纺丝液进行同轴纺丝，纤维素为壳，壳聚糖为核，从而有效发挥壳聚糖在复合体系中氮元素掺杂对最终所制备的负极材料电化学性能的提升以及对氮元素在碳化过程中的最大化保留，接收板为铜箔，接收距离为3-20cm，电压为12-15kV，获得纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜；(4)多孔碳纳米复合纤维膜的制备：将获得的纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜在惰性气氛保护下置于管式炉或高温炭化炉中以升温速率1-10℃/min，在温度600-1500℃条件下炭化得到多孔碳纳米复合纤维膜；(5)多孔碳纳米复合纤维膜活化：将多孔碳纳米复合纤维膜在0.5-5％的硝酸中氧化1-3h，过滤洗涤，然后放入以二甲基甲酰胺为溶剂的氯化亚砜溶液中，后加入胺基化合物得到活化后的多孔碳纳米复合纤维膜；(6)生物质基锂离子电池负极材料的获得：活化好的多孔碳纳米复合纤维膜浸入石墨烯分散液1-3h，取出后烘干得到所述的一种生物质锂离子电池负极材料。进一步地，所述步骤(1)从生物质内提取纤维素的方法为：将生物质清洗、80-100℃下烘干，粉碎后过60-100目筛，称取一定量粉末并采用有机溶剂进行抽提12h，然后抽滤和烘干，烘干后的粉末加入3-10％的氢氧化钠溶液反应1-4h，抽滤清洗后加入到冰醋酸与30％的双氧水在40-60℃下反应4-8h后超声分散0.5h，经离心或抽滤清洗后烘干得到纤维素。进一步地，所述的农林废弃生物质为木、竹枝桠材或下脚料、秸秆、稻秆、麻杆、棉秆、芦苇秆、玉米秆、高粱秆、藤材、灌木、甘蔗渣、花生壳、核桃壳、谷壳或橡胶籽壳中的至少一种材料。进一步地，所述有机溶剂为分析纯级的苯、甲苯、甲醇、无水乙醇、乙醚、氯仿、丙酮或石油醚中的至少一种。进一步地，所述步骤(2)中的离子液体种类为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐中的一种。进一步地，所述步骤(5)中的胺基化合物为二胺、三胺或四胺类化合物。进一步地，所述胺基化合物为分析纯级的乙二胺、邻苯二胺、间苯二胺、环己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或三亚乙基四胺中的一种。进一步地，所述步骤(6)中的石墨烯粉末粒度为6～15μm。本专利技术还提供了上述方法制备得到的生物质锂离子电池负极材料在锂电池制备中的应用。本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的多孔碳纳米复合纤维膜在制备电极材料中的应用。本专利技术的有益效果有:制备的生物质锂离子电池负极材料原料来源广泛，易获取，可再生，制备的负极材料具有大量孔隙，天然氮掺杂，互穿交联网络，与石墨烯协同作用，有利于锂离子的快速传输，可以有效提高作为锂离子电池负极材料的性能。附图说明图1为本专利技术纤维素、壳聚糖静电纺丝核壳形貌图；图2为本专利技术制备的生物质锂离子电池负极材料倍率性能测试图；图3为本专利技术制备的生物质锂离子电池负极材料循环稳定性显示图。具体实施方式下面结合具体实施例来进一步描述本专利技术，但这些实施例仅是范例性的，并不对本专利技术的范围构成任何限制。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的试验材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到，所用的试剂如甲苯、无水乙醇等，如无特殊说明均为分析纯级，浓度大于等于99.7％。实施例1本实施例提供了一种生物质锂离子电池负极材料的制备方法：(1)纤维素提取将木粉清洗并在100℃下烘干，粉碎后过60-100目筛，称取10g木粉并采用苯/无水乙醇抽提12h，然后抽滤和烘干。将烘干后的粉末加入3％的氢氧化钠溶液反应3h，抽滤清洗后加入到冰醋酸与30％的双氧水在60℃下反应4h，超声分散30min，经离心或抽滤清洗后烘干得到纤维素。(2)静电纺丝液制备将获得的纤维素溶解于1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体中，在常温下搅拌12h配制5wt％纤维素纺丝液；将一定量的壳聚糖粉末溶解于相同离子液体中，搅拌12h配制2.5wt％的壳聚糖纺丝液。(3)纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜的制备采用配置有同轴针头的高压静电纺丝装置对纤维素和壳聚糖纺丝液进行同轴纺丝，接收距离为15cm，电压为15kV，获得纤维素为壳，壳聚糖为核的纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜。(4)多孔复合纳米纤维膜碳化将多孔纳米纤维膜在氮气保护下置于管式炉中以升温速率5℃/min，在温度700℃下炭化4h得到多孔碳纳米复合纤维膜。(5)多孔碳纳米复合纤维膜活化将获得的多孔碳纳米复合纤维膜在1.5％的硝酸中氧化2h，过滤洗涤，然后放入体积比为1：500的二甲基甲酰胺(DMF)/氯化亚砜(SOCl2)溶液中在70℃下反应3h，后加入与氯化亚砜等当量的邻苯二胺对碳纳米复合纤维膜进行活化。(6)终产品的获得<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)从农林废弃生物质内提取纤维素；/n(2)静电纺丝液的制备：所述静电纺丝液包括纤维素纺丝液和壳聚糖纺丝液，在常温下分别将纤维素和壳聚糖粉末溶解于离子液体中；/n(3)纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜的制备：采用配置有同轴针头的高压静电纺丝装置对纤维素和壳聚糖纺丝液进行同轴纺丝，纤维素为壳，壳聚糖为核，接收板为铜箔，接收距离为3-20cm，电压为12-15kV，获得纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜；/n(4)多孔碳纳米复合纤维膜的制备：将获得的纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜在惰性气体保护下置于管式炉或高温炭化炉中以升温速率1-10℃/min，在温度600-1500℃条件下炭化得到多孔碳纳米复合纤维膜；/n(5)多孔碳纳米复合纤维膜活化：将多孔碳纳米复合纤维膜在0.5-5％的硝酸中氧化1-3h，过滤洗涤，然后放入以二甲基甲酰胺为溶剂的氯化亚砜溶液中，后加入胺基化合物得到活化后的多孔碳纳米复合纤维膜；/n(6)生物质基锂离子电池负极材料的获得：活化好的多孔碳纳米复合纤维膜浸入石墨烯分散液1-3h，取出后烘干得到所述的一种生物质锂离子电池负极材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种生物质锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)从农林废弃生物质内提取纤维素；
(2)静电纺丝液的制备：所述静电纺丝液包括纤维素纺丝液和壳聚糖纺丝液，在常温下分别将纤维素和壳聚糖粉末溶解于离子液体中；
(3)纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜的制备：采用配置有同轴针头的高压静电纺丝装置对纤维素和壳聚糖纺丝液进行同轴纺丝，纤维素为壳，壳聚糖为核，接收板为铜箔，接收距离为3-20cm，电压为12-15kV，获得纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜；
(4)多孔碳纳米复合纤维膜的制备：将获得的纤维素/壳聚糖核壳多孔复合纳米纤维膜在惰性气体保护下置于管式炉或高温炭化炉中以升温速率1-10℃/min，在温度600-1500℃条件下炭化得到多孔碳纳米复合纤维膜；
(5)多孔碳纳米复合纤维膜活化：将多孔碳纳米复合纤维膜在0.5-5％的硝酸中氧化1-3h，过滤洗涤，然后放入以二甲基甲酰胺为溶剂的氯化亚砜溶液中，后加入胺基化合物得到活化后的多孔碳纳米复合纤维膜；
(6)生物质基锂离子电池负极材料的获得：活化好的多孔碳纳米复合纤维膜浸入石墨烯分散液1-3h，取出后烘干得到所述的一种生物质锂离子电池负极材料。


2.根据权利要求1所述的一种生物质锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)从生物质内提取纤维素的方法为：将生物质清洗、80-100℃下烘干，粉碎后过60-100目筛，称取一定量粉末并采用有机溶剂进行抽提12h，然后抽滤和烘干，烘干后的粉末加入3-10％的氢氧化钠溶液反应1-4h，抽滤清洗后加入到冰醋酸与30％的双氧水在40-60℃下反应4-8h后超声分散0.5h，经离心或抽...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐开蒙，王智辉，林旭，吴佳喜，刘灿，张钰禄，李秋实，叶倩，胡谦，
申请(专利权)人：西南林业大学，
类型：发明
国别省市：云南;53