一种基于废弃物甘蔗渣制备具备良好电化学性能磷酸铁锂正极复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于废弃物甘蔗渣制备具备良好电化学性能磷酸铁锂正极复合材料的方法。以达到废物利用、保护环境、提高废弃物附加值的目的。首先将前驱体、锂源以及抗氧化剂充分研磨得到均匀的混合物，在氩气气氛的管式炉中进行低温预烧和研磨处理。然后将预处理过的甘蔗渣粉末与预烧结样品在无水乙醇中充分混合，再在在氩气气氛的管式炉中进行高温烧结，自然冷却至室温并研磨充分后，即可得到生物质碳包覆的LiFePO

【技术实现步骤摘要】
一种基于废弃物甘蔗渣制备具备良好电化学性能磷酸铁锂正极复合材料的方法
本专利技术涉及锂离子电池领域，特别是通过废弃物甘蔗渣制备高附加值磷酸铁锂正极复合材料的方法。
技术介绍
随着工业的发展和化石燃料使用的日益增多，环境问题已经成为全球非常关注和重视的问题。新能源的开发和利用是减少环境污染，实现可持续发展的必然之路，许多国家已经在新能源的创新和发展方面付出了巨大的努力。在新能源领域，锂离子电池是一种非常重要的新能源，在动力电池和储能方面优势非常明显。在各种锂离子正极材料中，磷酸铁锂(LiFePO4)具有循环性能好、稳定性高、理论比容量大(170mAh/g)、安全环保、成本低廉等优点，是一种非常重要的和三元材料并驾齐驱的锂离子正极材料。然而，本征电导率极低的缺陷严重影响了该材料在大电流密度下的电化学性能，从而限制了其在大功率动力电池中的应用。广西是中国的产糖大省，每年制糖工业产生大量的甘蔗渣。目前在甘蔗渣的利用方面，除了部分用于燃料、造纸、人造纤维板、饲料以外，大部分都成为固体废弃物。为了提高这种废弃物甘蔗渣的附加值，变废为宝，本专利开发甘蔗渣在新能源方面的应用，将甘蔗渣通过特殊的工艺处理后变为磷酸铁锂的包覆碳源，通过电导率的提高和形貌以及颗粒尺寸的调控来提升材料的的电化学性能，促进新能源产业的快速发展和市场化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是在磷酸铁锂的表面包覆一层由废弃甘蔗渣转变成的生物质碳，通过生物质的碳包覆来调控磷酸铁锂的形貌和颗粒尺寸，大幅度地提高电导率，进而提高磷酸铁锂的电化学性能。具体步骤：(1)称量1～3g工业甘蔗渣，置于100～500mL质量百分比浓度为0.1～10％的碱液中，将溶液转移到200mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜里，50℃～120℃反应1～10小时，待反应釜冷却后，取出反应后的甘蔗渣，用去离子水清洗3～5次，直至pH为中性；之后在烘箱中烘烤5～40小时，将烘烤过的甘蔗渣用球磨机研磨成超细粉末即甘蔗渣粉末。(2)称取0.01～0.1molFePO4前驱体、0.01～0.1mol的锂源以及锂源和前驱体质量之和的1～10％的抗氧化剂，在无水乙醇中研磨10～120分钟，充分混合均匀，在氩气气氛的管式炉里进行预烧结，烧结温度为100～500℃，烧结时间为2～12小时，待管式炉冷却到室温后，加入锂源和前驱体质量之和的2～10％的步骤(1)所得甘蔗渣粉末，在无水乙醇中充分研磨后，再次放入氩气气氛的管式炉中烧结，烧结温度为600～1000℃，烧结时间为10～12小时，冷却至室温即可得到生物质碳包覆的LiFePO4/C正极复合材料即磷酸铁锂正极复合材料。所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种。所述锂源为乙酸锂、碳酸锂和氢氧化锂中的一种或多种。所述抗氧化剂为一水合柠檬酸、半胱氨酸β-巯基乙醇和抗坏血酸的一种或多种。本专利技术涉及甘蔗渣的处理工艺以及高温碳热还原制备出生物质碳包覆的LiFePO4/C正极复合材料。通过表面包覆生物质碳提高材料的导电性，并对颗粒的大小和形貌进行调控，提高材料在大倍率下的电化学性能，结果表明：电压范围为2.5～4.2V时，所制备的生物质碳包覆的LiFePO4/C正极复合材料在0.2C倍率下首次放电比容量可达156.1mAh/g，循环100圈后，放电比容量保持率为91.1％，具有优良的循环稳定性。在10C的大倍率下，放电比容量仍有85.5mAh/g。未包覆甘蔗渣的磷酸铁锂的电导率为0.163S/m，包覆后电导率提升到0.718S/m。本专利技术成本低廉、环境污染小，制备的生物质碳包覆的LiFePO4/C正极复合材料具有优良的电化学性能，尤其在循环和倍率性能方面有比较明显的提高。因此，通过对废弃物甘蔗渣进行特殊的工艺处理后，结合碳热还原过程制备生物质碳包覆的LiFePO4/C正极复合材料，可以有效提高该材料的循环和倍率性能，这不仅可以推动该材料在动力电池领域的市场化进程，同时还可以帮助制糖工业解决废渣导致的环境问题、提高废弃物的高附加值资源化利用。附图说明图1是实施例1、2的LiFePO4的XRD图。图中标记：LFP为实施例1合成的空白磷酸铁锂正极材料；LFP-10％为实施例2利用甘蔗渣作为生物质包覆碳源所合成的磷酸铁锂正极复合材料。图2是实施例1、2的LiFePO4的SEM图。图3是实施例1、2的LiFePO4在0.2C倍率下循环性能图。图4是实施例1、2的LiFePO4的倍率性能图。图5是实施例2的LiFePO4的TEM图。图6是实施例2的LiFePO4的EDS图。具体实施方式实施例1：合成LiFePO4正极材料：按照摩尔比(前驱体:锂源＝1:1)，分别称取0.5gFePO4前驱体、0.1391gLiOH·H2O，再加入0.0639g抗坏血酸(占LiOH·H2O和FePO4质量之和的10％)，在无水乙醇进行充分的研磨，直到均匀为止，然后放入氩气气氛的管式炉里预烧5小时，烧结温度为350℃(5℃/min的升温速率)，待管式炉冷却到室温后，继续在无水乙醇中进行充分的研磨，再次将样品放入氩气气氛的管式炉中，在650℃(5℃/min的升温速率)条件下烧结10小时，冷却至室温即可得LiFePO4正极材料。实施例2：利用废弃甘蔗渣合成生物质碳包覆的LiFePO4/C正极复合材料：(1)称量1g工业甘蔗渣，置于200mL质量百分比浓度为0.1～10％的氢氧化钠中，将溶液转移到200mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜里，100℃反应5小时，待反应釜冷却后，取出反应后的甘蔗渣，用去离子水清洗4次，直至pH为中性；之后在烘箱中烘烤20小时，将烘烤过的甘蔗渣用球磨机研磨成超细粉末即甘蔗渣粉末。(2)按照摩尔比(前驱体:锂源＝1:1)，分别称取0.5gFePO4前驱体、0.1391gLiOH·H2O，再加入0.0639g抗坏血酸(占LiOH·H2O和FePO4质量之和的10％)，在无水乙醇中研磨100分钟，然后放入氩气气氛的管式炉里预烧5小时，烧结温度为350℃(5℃/min的升温速率)，待管式炉冷却到室温后，加入0.0639g的步骤(1)所得甘蔗渣粉末(占LiOH·H2O和FePO4质量之和的10％)，在无水乙醇中进行充分的研磨后，再次放入氩气气氛的管式炉中，在650℃(5℃/min的升温速率)条件下烧结10小时，冷却至室温即可得生物质碳包覆的LiFePO4/C复合材料即磷酸铁锂正极复合材料。把所合成的样品制作成圆形极片，组装成纽扣电池。具体操作如下：按照活性物质(LiFePO4):聚偏四氟乙烯(PVDF):乙炔黑(C)的质量比＝8:1:1，分别称取相应质量的物质放置于玛瑙研钵中，在红外烤箱外研磨1小时左右，再滴入适量的NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)，充分研磨1小时，研磨材料至浆状，用涂布器将材料均匀的涂在光滑的铝箔表面，形成一层均匀的薄片。然后将涂好的极片放在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于废弃物甘蔗渣制备具备良好电化学性能磷酸铁锂正极复合材料的方法，其特征为：/n(1)称量1 ~3 g工业甘蔗渣，置于100 ~500 mL质量百分比浓度为0.1~10%的碱液中，将溶液转移到200 mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜里，50℃~120℃反应1~10 小时，待反应釜冷却后，取出反应后的甘蔗渣，用去离子水清洗3~5次，直至pH为中性；之后在烘箱中烘烤5~40 小时，将烘烤过的甘蔗渣用球磨机研磨成超细粉末即甘蔗渣粉末；/n（2）称取0.01~0.1 mol FePO

【技术特征摘要】
1.一种基于废弃物甘蔗渣制备具备良好电化学性能磷酸铁锂正极复合材料的方法，其特征为：
(1)称量1~3g工业甘蔗渣，置于100~500mL质量百分比浓度为0.1~10%的碱液中，将溶液转移到200mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜里，50℃~120℃反应1~10小时，待反应釜冷却后，取出反应后的甘蔗渣，用去离子水清洗3~5次，直至pH为中性；之后在烘箱中烘烤5~40小时，将烘烤过的甘蔗渣用球磨机研磨成超细粉末即甘蔗渣粉末；
（2）称取0.01~0.1molFePO4前驱体、0.01~0.1mol的锂源以及锂源和前驱体质量之和的1~10%的抗氧化剂，在无水乙醇中研磨10~120分...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖顺华，陈超，邢旭，刘雪萍，陈绍军，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45