一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，其特征在于以氮掺杂罗汉果残渣基碳材料为载体，金属铅沉积于氮掺杂罗汉果残渣碳材料表面。同时发明专利技术还公开了该氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料的制备方法。该氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料具有良好的电化学性能和析氢抑制性能双重功能，即能解决铅碳电池在高倍率荷电工作状态下运行产生不可逆硫酸盐化的现象，又能解决铅碳电池因添加碳材料而产生的析氢现象。而产生的析氢现象。而产生的析氢现象。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及制备和应用


[0001]本专利技术属于铅碳电池负极材料制备
，主要涉及一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及制备和应用。

技术介绍

[0002]铅碳电池既保留了铅酸蓄电池安全可靠、回收率高、价格低的优点，又具有铅酸蓄电池和超级电容器的双重功能，在HRPSoC状态下具有极好的循环使用寿命和较高的功率密度，在负极板中加入多孔碳材料，碳添加剂对铅碳电池起到缓冲电流、提供导电网络的作用，从而改善电池的电化学行为，延长负极板在高倍率部分荷电状态下的循环寿命。
[0003]市面上的碳材料层出不穷，添加在铅碳电池负极中的碳材料主要有：活性炭、炭黑、碳纳米管、乙炔黑、石墨烯、生物质碳等，添加的这些碳材料在不同程度上均对减缓铅碳电池在高倍率荷电工作状态下运行产生不可逆硫酸盐化的现象有一定的帮助，但其中有些碳材料价格比较昂贵，如：石墨烯、碳纳米管等，而像乙炔黑这样的碳材料，其颗粒细小，在电池中容易团聚，不利于活性物质铅的分散，从而降低铅的利用率，从而影响铅碳电池的电化学性能。在诸多的碳材料中，生物质碳则是最廉价易得的，自然界中的生物质，包括许多不被处理的农业废弃物，都是非常宝贵的碳资源，以生物质为碳源，人们可以根据需要，通过人工耦合技术，将生物质碳与其他化学组分复合，对生物质碳进行改性和调控其结构已成为研究热点之一。
[0004]然而铅碳电池的发展也存在着一些问题，例如，在大多数情况下，人们仅仅是简单地将碳材料和负极材料中的活性物质、析氢抑制剂、粘结剂等物质混合，在一定量的水和硫酸溶液中进行机械搅拌，而后获得铅膏，将其涂覆于铅钙合金板栅上，再经淋酸、固化、干燥、化成等工序得到负极板。但由于碳添加剂的密度小，与负极材料添加剂的密度有一定的差异，尤其是和铅粉的密度相差很大，因此简单的机械混合，使得铅膏中碳材料与负极活性物质之间存在界面不相容性，这会增加界面欧姆电阻，导致电池在HRPSoC状态下长时间运行时发生中断的可能，最终影响负极活性物质的导电性。除此之外，碳添加剂也出现了严重的问题，碳材料有较低的析氢过电势，在电池进行充电的后期，负极容易析出氢气，加速电解液枯涸，此外，产生的氢气泡使碳颗粒与铅分离，从而破坏了负极板结构的稳定性，最终也会缩短电池的循环寿命。因此，针对如何减缓铅碳电池不可逆硫酸盐化和负极析氢的研究仍然具有十分重要的意义。
[0005]近几年来，SnO2因其在丰度、环境友好性、高理论容量和安全性等方面具有独特优势，由此被视为有前景的电极材料，尤其是被用作锂离子电池的阳极材料，除此之外，SnO2在铅碳电池中的应用也有少数报道，Sn与Pb为同一主族元素，两种元素的化学性质相近，SnO2除了有能够抑制氢气析出的作用外，还与铅碳电池中负极活性物质之一的PbO类似，应用到铅碳电池负极时，可以发挥活性物质的作用。
[0006]基于自然界生物质原料丰富、廉价易得，包括农业废弃物的利用价值尚低的现状，本着充分利用可再生生物质资源的理念，本申请以罗汉果残渣作为碳源，利用水热-掺杂法
制备氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO2复合材料，并应用于铅碳电池负极材料中。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的：制备一种即能解决铅碳电池在高倍率荷电工作状态下运行产生不可逆硫酸盐化的现象，又能解决铅碳电池因添加碳材料而产生的析氢现象的复合材料
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氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO2复合材料。
[0008]专利技术思路：利用SnO2良好的电化学性能和析氢抑制性能，以罗汉果为碳源，以多巴胺为氮源，利用水热-掺杂法制制备能用于铅碳电池负极的具有双重功能的复合材料
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氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO2复合材料。
[0009]本专利技术提出氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO2复合材料制备方案主要包括以下步骤：
[0010]一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，所述的罗汉果残渣按下列方法进行预处理：
[0011]将罗汉果残渣放入装有5wt.％K2CO3溶液的烧杯中(罗汉果残渣质量:5wt.％K2CO3溶液质量＝1:150)，在60℃的恒温油浴锅中浸泡24h，捞出，用蒸馏水洗涤多次直至中性，将罗汉果残渣置于65℃鼓风干燥箱中鼓风干燥12h，待罗汉果残渣完全干燥后，将烘干的罗汉果残渣放入密封式研磨机中进行研磨，研磨成200～300目的粉末，密封保存。
[0012]一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，所述的罗汉果残渣基碳材料制备方法如下：
[0013]称取10g罗汉果残渣粉末于氧化铝坩埚中，置于真空管式炉中，在氩气气氛下煅烧进行预碳化，温度条件为650℃，保温3h(其中氩气流速控制100mL/min，升温速度为5℃/min)，待真空管式炉冷却到室温，取出氧化铝坩埚，把碳化后得到的罗汉果残渣基碳材料装在样品管中备用。
[0014]一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，所述的罗汉果残渣基C/SnO复合材料制备方法如下：
[0015]量取55.25mL正丁醇(分散剂)置于在100mL烧杯中，量取6mL浓盐酸，称取1.6364g SnCl2·
2H2O，边搅拌边将浓盐酸和SnCl2·
2H2O加入55.25mL正丁醇中，将混合物在室温下超声30min。称取2g罗汉果残渣碳材料，加入上述混合溶液中，将含罗汉果残渣碳的混合溶液转移到聚氟乙烯反应釜中，然后将反应釜在180℃烘箱中加热2h。待反应釜温度降至室温，开釜，抽滤，用无水乙醇和蒸馏水洗涤产物各3次，取滤渣，在65℃鼓风干燥箱中干燥，得到罗汉果残渣基C/SnO2复合材料。
[0016]一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，其氮掺杂方法如下：
[0017]称取2g制备好的罗汉果残渣基C/SnO2复合材料加入50mL三羟甲基氨基甲烷溶液中并磁力搅拌10min，然后在搅拌下将0.066g多巴胺缓慢加入上述混合溶液中，继续磁力搅拌6h，抽滤，用水洗涤3次产物，取滤渣，转移到塑料烧杯中，在冰箱中冷冻10h，再真空冷冻干燥48h。然后在氩气气氛中650℃下煅烧3h，最后得到氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO2复合材料。
[0018]所述制备方法获得的氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料可应用于铅碳电池负极，表现出良好的循环稳定性。这与水热-掺杂法制备法可以使罗汉果残渣碳材料与SnO2良好的界面相容性，SnO2占据了活性物质的孔隙，抑制了硫酸铅的形成，并减少氢气的析出，
并且掺杂氮原子主要改变了罗汉果残渣碳材料的电子特性，可以有效增加罗汉果残渣碳材料表层与溶液中离子的键合作用，不仅可以提供赝电容，提高罗汉果残渣在铅碳电池的比容量，还可以提高铅碳电池的循环寿命。
附图说明
[0019]图1是制备氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及铅碳电池负极的制备工艺流程图。
[0020]图2铅碳电池首次放电曲线图。
[0021]图3铅碳电池循环寿命图。
[0022]图4不同配比C/SnO2复合材料的线性扫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，其特征在于：以氮掺杂罗汉果残渣碳材料为载体，金属铅沉积于氮掺杂罗汉果残渣碳材料表面。2.根据权利要求1所述的氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，其特征在于具体步骤为：步骤1：将罗汉果残渣放入装有5wt.％K2CO3溶液的烧杯中，控制罗汉果残渣质量:5wt.％K2CO3溶液质量＝1:150，在60℃的恒温油浴锅中浸泡24h后，捞出，用蒸馏水洗涤至中性，然后将罗汉果残渣置于65℃鼓风干燥箱中干燥12h，再将烘干的罗汉果残渣放入密封式研磨机中进行研磨，研磨成200～300目的粉末，密封保存；步骤2：称取10g步骤1所获得的罗汉果残渣粉末于氧化铝坩埚中，置于真空管式炉，在氩气气氛下煅烧进行碳化，温度条件为650℃，保温3h，控制氩气流速控制100mL/min，升温速度为5℃/min，待真空管式炉冷却到室温，取出氧化铝坩埚，获得罗汉果残渣基碳材料备用；步骤3：量取55.25mL分散剂正丁醇置于在100mL烧杯中，量取6mL浓盐酸，称取1.6364g SnCl2·
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峥，艾慧婷，孙丹，冯炜怡，梁秋群，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：