一种生物质碳微球材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种生物质碳微球材料的制备方法及应用，包括：将新鲜莲藕洗净干燥后破碎过筛得到粉末；将获得的粉末与添加剂在反应釜中水热得前驱体；将前驱体在带有惰性保护气的管式炉中高温煅烧处理，然后自然冷却至室温，即得到活化碳化材料；将活化碳化材料先用盐酸浸泡，再用蒸馏水和乙醇洗涤，然后干燥，即得到生物质碳微球材料。本发明专利技术制备得到的生物质碳微球材料应用于锂/钠离子电池负极时，具有良好的电化学性能，且大电流充放电性能优异。因而本发明专利技术制备的生物质碳微球材料在高能量密度锂/钠离子电池装置中可以展现出良好的应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质碳微球材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于生物质衍生碳
，更具体地说，本专利技术涉及一种生物质碳微球材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着产业技术的不断革新和社会经济的突飞猛进，煤矿、石油、天然气等化石能源消耗速度直线上升，与之同时也带来了环境污染、全球变暖等诸多问题，严重威胁人们的健康。基于此，人们开始将注意力转向对风能、太阳能和潮汐能等可再生绿色能源的开发。但是，可再生绿色能源在应用过程中，易受气候、季节等因素的影响，因此必须与能源储能/转换装置进行配套，从而保证其能够被稳定利用。
[0003]二次电池(锂/钠离子电池)作为一种能实现电能与化学能高效转换的储能装置，在人们的生产生活中已经得到广泛的应用。然而，要实现锂/钠离子电池长远发展和广泛应用，就要对其提出更高的要求，要充分考虑电化学性能、安全性能和成本等因素。其中负极材料直接影响着电池的比容量及循环稳定性。因此，负极材料需具有优异电化学性能、价格低廉、环境友好、易获得和高稳定性的特点。
[0004]碳材料因具有独特的一维到三维网络结构、良好的电子导电性、天然的丰度和较强的机械性能，受到众多研究者的关注。此外，碳材料的种类繁多，包括：富勒烯、碳纳米管、石墨烯、介孔碳和复合材料等，为锂/钠离子电池负极材料提供了多种选择。然而，上述碳材料存在生产成本高、不易大规模生产等缺点。而生物质衍生碳材料是在缺氧或绝氧的条件下通过热解生物质原料，得到高度芳香化富含碳的固体粉末材料，它具有来源丰富、制备方法简单、耐酸碱、耐高温、导电性好等优点。此外，得到的生物质碳材料虽然具有较大的比表面积以及复杂的孔隙结构，但在锂/钠离子电池的应用过程中，存在能量密度低、循环寿命短等缺陷，严重限制了其实际工业化应用。
[0005]基于目前生物质衍生碳材料存在的缺陷，提供一种高性能的生物质衍生碳材料用于锂/钠离子电池负极材料，以提升电池性能，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0007]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种生物质碳微球材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、将新鲜莲藕洗净干燥后破碎过筛得到莲藕粉末；
[0009]步骤二、将所述步骤一中获得的莲藕粉末与添加剂在反应釜中水热得前驱体；
[0010]步骤三、将所述步骤二中前驱体在带有惰性保护气的管式炉中高温煅烧处理，然后自然冷却至室温，即得到活化碳化材料；
[0011]步骤四、将所述步骤三中的活化碳化材料先用盐酸浸泡，再用蒸馏水和乙醇洗涤，
然后干燥，即得到生物质碳微球材料。
[0012]优选的是，其中，所述步骤二中的添加剂为尿素、磷酸、磷酸二氢铵中的一种或多种。
[0013]优选的是，其中，所述步骤二中，莲藕粉末与使用的添加剂的质量比为3:1～2。
[0014]优选的是，其中，所述步骤二中的水热温度为160～200℃。
[0015]优选的是，其中，所述步骤二中水热时间为4～8h。
[0016]优选的是，其中，所述步骤三中高温煅烧处理时的惰性保护气体为氮气或氩气，碳化温度为300～500℃，保温时间1～3h。
[0017]优选的是，其中，所述步骤四中盐酸浓度为1.0mol L
‑1。
[0018]优选的是，其中，所述步骤二中的添加剂为三聚氰胺或双氰胺，将莲藕粉末与添加剂在反应釜中高温热解反应制备得到前驱体，具体方法包括：将莲藕粉末与添加剂混合后，先以5～10℃min
‑1的升温速率升温至120～150℃，保温10～20min后，再以10～15℃min
‑1的升温速率升温至260～300℃，保温30～40min后，再以20～25℃min
‑1的升温速率升温至500～700℃，保温15～25min后冷却至室温，得到物料A；
[0019]对物料A进行负载TiO2处理，具体步骤包括：按重量份，称取80～400g钛酸四丁酯，将钛酸四丁酯与2800mL乙醇溶液混合，乙醇的质量分数为70％，磁力搅拌，搅拌速度为100～500rpm，磁力搅拌的同时向溶液中滴加冰醋酸，待溶液中有凝胶产生后，称取400～1500g物料A投入至溶液中，继续磁力搅拌，调节磁力搅拌转速至200～450rpm，生成的TiO2被吸附在掺氮活化碳化材料表面，过滤、烘干得到混合物，将混合物在反应釜中进行水热反应后，取出烘干得到前驱体。
[0020]一种生物质碳微球材料的制备方法的应用，包括以下步骤：
[0021]S1、以生物质碳微球材料:乙炔黑:聚偏氟乙烯＝8:1:1的质量比称取材料，并加入N
‑
甲基吡咯烷酮，混合均匀，搅拌成浆糊状后刮涂于铜箔上，其中N
‑
甲基吡咯烷酮的加入量为能将生物质碳材料、乙炔黑、聚偏氟乙烯乳液研磨成油墨状即可；
[0022]S2、将S1获得的涂有生物质碳微球材料的铜箔进行干燥、裁片，即得到锂/钠离子电池负极电极片；
[0023]S3、将S2所得锂/钠离子电池负极电极片，在手套箱中组装为CR2016扣式电池。
[0024]本专利技术至少包括以下有益效果：本本专利技术采用新鲜莲藕，将其洗净后烘干，再破碎过筛得其粉末；然后将粉末与添加剂在反应釜中水热得到前驱体；最后将前驱体在带有惰性保护气的管式炉中高温煅烧处理，然后自然冷却至室温，即得到生物质碳微球材料。水热中加入的添加剂是为其提供杂原子，其中杂原子的引入是一种提高容量的方法，而且还提高碳材料表面润湿性和电子传导性，这可以促进电荷转移和电极与电解质相互作用。此外，碳化过程在惰性气体氛围中进行，可使材料更加均匀稳定。生物质材料热解过程中经常会释放一些气体，例如CO、CH4、H2和H2O等，剩余的物质在高温中转化为无定形碳。最后经水热和碳化制备出的生物质碳微球不仅含有丰富的N/P元素，有利于提高锂/钠的储存容量和相关动力学；同时直径为3
‑
4mm小尺寸球形结构也有利于锂/钠离子的快速插层/脱层。
[0025]使用本专利技术制得的生物质碳微球材料为具有良好电化学性能的锂/钠离子电池负极，其具有较大比容量、良好循环性能和倍率性能，且还有制备方法简单、成本低廉等优点，有利于实现工业化生产。
[0026]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0027]图1为实施例2、实施例5和实施例9制得的生物质碳材料的XRD衍射图；
[0028]图2为实施例2、实施例5和实施例9制得的生物质碳材料的拉曼散射光谱图；
[0029]图3为对实施例2、实施例5和实施例9制得的生物质碳材料进行N2吸附/脱附测试结果示意图；
[0030]图4为实施例2、实施例5和实施例9制得的生物质碳材料的孔径分布图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将新鲜莲藕洗净干燥后破碎过筛得到莲藕粉末；步骤二、将所述步骤一中获得的莲藕粉末与添加剂在反应釜中水热得前驱体；步骤三、将所述步骤二中前驱体在带有惰性保护气的管式炉中高温煅烧处理，然后自然冷却至室温，即得到活化碳化材料；步骤四、将所述步骤三中的活化碳化材料先用盐酸浸泡，再用蒸馏水和乙醇洗涤，然后干燥，即得到生物质碳微球材料。2.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的添加剂为尿素、磷酸、磷酸二氢铵中的一种或多种。3.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，莲藕粉末与使用的添加剂的质量比为3:1～2。4.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的水热温度为160～200℃。5.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中水热时间为4～8h。6.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中高温煅烧处理时的惰性保护气体为氮气或氩气，碳化温度为300～500℃，保温时间1～3h。7.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中盐酸浓度为1.0mol L
‑1。8.如权利要求1所述的生物质碳微球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的添加剂为三聚氰胺或双氰胺，将莲藕粉末与添加剂在反应釜中高温热解反应制备得到前驱体，具体方法包括：将莲藕粉末与添加剂混合后，先以5～10℃min
‑1的升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚萍，李劲超，李豪，邓伟锋，袁盛旭，李晶，段浩，
申请(专利权)人：四川朗晟新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：