一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法和在锂离子电池中的应用技术

一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法和在锂离子电池中的应用，它涉及一种多孔碳材料的制备方法和在锂离子电池中的应用。发明专利技术的目的是要解决目前工业上多使用沥青或有机高聚物为原料制备硬碳材料具有不可再生、反应过程有污染的缺点和坚果壳衍生碳负极材料存在可逆容量低以及在较高电流密度下的循环寿命短的问题。方法：一、将坚果壳原料与酸溶液混合；二、水热反应；三、将预碳化材料与活化剂混合，碳化。本发明专利技术制备的碳材料在50mAg

【技术实现步骤摘要】
一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法和在锂离子电池中的应用


[0001]本专利技术涉及一种多孔碳材料的制备方法和在锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]现如今，气候变化成为全球的共同难题，我们需要更加重视环境和能源问题。随着化石能源被不断消耗，人们越来越需要清洁能源，例如风能和太阳能等，与此同时对能源存储的需求也日益提高。由于锂在所有的元素中具有最低的还原电位，并且还是离子半径最小的金属元素，因此锂离子电池有更高的电压和能量密度。正是它的这些优点在过去的半个多世纪里锂离子电池毫无疑问的成为了最热门的储能器件。
[0003]锂离子电池的电化学性能与电极活性物质密切相关，直接影响了电池的能量密度及功率密度。当前负极材料的主要来源是改性天然石墨或沥青基人造石墨，生产污染较为严重，且受限于372mAhg
‑1的理论容量。因此，近年来新型高容量负极材料的研究备受关注。硬碳型负极材料因其内部含有丰富的石墨微晶结构，且空腔体积大，从而具备容量高、倍率性能好等特性，是一种非常理想的负极材料。目前工业上多使用沥青或有机高聚物为原料制备硬碳材料，具有不可再生、反应过程有污染等缺点。而坚果壳生物质作为一种可再生能源，因其产量丰富、无毒、低成本等优点，在碳质材料的制备中引起了广泛的关注。坚果壳生物质具有独特的微观结构，本身也具有自掺杂效应(如氧、氮和磷等)。这些优点使得坚果壳经过一定的处理后成为高性能负极的有前途的前体，但坚果壳衍生碳负极材料存在可逆容量低以及在较高电流密度下的循环寿命短等问题，限制了其在锂离子电池中的实际应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是要解决目前工业上多使用沥青或有机高聚物为原料制备硬碳材料具有不可再生、反应过程有污染的缺点和坚果壳衍生碳负极材料存在可逆容量低以及在较高电流密度下的循环寿命短的问题，而提供一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法和在锂离子电池中的应用。
[0005]本专利技术提供了一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法及其应用，该方法采用废弃生物质坚果壳为生物质来源，通过水热预碳化和高温活化热解的方法，制备多孔碳材料，并将制备的多孔碳用作锂离子电池负极材料，实现废弃生物质材料的高值化转化，作为锂离子电池负极材料时表现出较高的比容量和良好的循环性能。
[0006]一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
[0007]一、室温下，将坚果壳原料与酸溶液混合，得到混合液；将混合液升温搅拌，再水洗至中性，最后放入烘箱中干燥，得到反应产物Ⅰ；
[0008]二、将反应产物Ⅰ转移到高温反应釜中，然后加入去离子水，再放入烘箱中进行水热反应，最后冷却至室温，得到预碳化材料；
[0009]三、将预碳化材料与活化剂充分研磨，然后在惰性气体保护下升温进行高温碳化，
再冷却至室温，得到反应产物Ⅱ；对反应产物Ⅱ进行洗涤并干燥，得到坚果壳衍生多孔碳材料。
[0010]本专利技术的有益效果：
[0011]1、本专利技术的一种生物质衍生碳材料采用废弃生物质坚果壳作为前驱体，成本低廉，易于规模化生产，且自掺杂丰富均匀的氧原子，可以提供额外的容量；
[0012]2、本专利技术通过适当的水热预处理，可以减少一些不可逆的缺陷，有效的提高碳材料的结构有序度，增强其电化学性能；
[0013]3、本专利技术采用碱作为活化剂，降低了活化剂的成本，并且可根据活化剂的比例来调控其比表面积和孔隙比例；多孔结构在为离子提供快速通道的同时，还可以提升导电性，增强其动力学性能；在50mAg
‑1的电流密度下首次可逆容量为706mAhg
‑1，在1000mAg
‑1的电流密度下循环2000圈后容量保持在114mAh g
‑1，容量保持率为74.7％，展现出高的可逆比容量和良好的循环稳定性。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实施例1制备的坚果壳衍生多孔碳的SEM图；
[0015]图2为本专利技术实施例1和对照例1制备的坚果壳衍生多孔碳的XRD图；
[0016]图3为本专利技术实施例1和对照例1制备的坚果壳衍生多孔碳的XPS图；
[0017]图4为本专利技术实施例1和对照例1制备的坚果壳衍生多孔碳的Raman图；
[0018]图5为本专利技术实施例1制备的坚果壳衍生多孔碳的氮气吸/脱附等温线图；
[0019]图6为本专利技术实施例1制备的坚果壳衍生多孔碳在不同电流密度下倍率性能图；
[0020]图7为本专利技术实施例1制备的坚果壳衍生多孔碳的循环性能图；
[0021]图8为本专利技术实施例1制备的坚果壳衍生多孔碳在1000mA g
‑1的电流密度下的长循环性能图
[0022]图9为本专利技术实施例2制备的坚果壳衍生多孔碳的循环性能图；
[0023]图10为本专利技术实施例3制备的坚果壳衍生多孔碳的循环性能图；
[0024]图11为本专利技术对照例1制备的坚果壳衍生多孔碳在不同电流密度下的倍率性能图；
[0025]图12为本专利技术对照例1制备的坚果壳衍生多孔碳的循环性能图；
[0026]图13为本专利技术对照例2制备的坚果壳衍生多孔碳的循环性能图。
具体实施方式
[0027]具体实施方式一：本实施方式一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
[0028]一、室温下，将坚果壳原料与酸溶液混合，得到混合液；将混合液升温搅拌，再水洗至中性，最后放入烘箱中干燥，得到反应产物Ⅰ；
[0029]二、将反应产物Ⅰ转移到高温反应釜中，然后加入去离子水，再放入烘箱中进行水热反应，最后冷却至室温，得到预碳化材料；
[0030]三、将预碳化材料与活化剂充分研磨，然后在惰性气体保护下升温进行高温碳化，再冷却至室温，得到反应产物Ⅱ；对反应产物Ⅱ进行洗涤并干燥，得到坚果壳衍生多孔碳材
料。
[0031]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的坚果壳原料为巴旦木壳、核桃壳、榛子壳和夏威夷果壳中的一种或几种的混合物；步骤一中所述的酸溶液为浓度为1～3mol/L的盐酸或1～3mol/L的硫酸。其它步骤与具体实施方式一相同。
[0032]具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的坚果壳原料的质量与酸溶液的体积比为(3.0g～6.0g):(30mL～60mL)。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
[0033]具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述的升温搅拌的温度为60℃～90℃，升温搅拌的时间为6h～12h，升温搅拌的速度为700r/min～900r/min；步骤一中所述的干燥的温度为60℃～120℃，干燥的时间为8h～16h。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
[0034]具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中所述的反应产物Ⅰ的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):(10mL～40mL)；步骤二中所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的：一、室温下，将坚果壳原料与酸溶液混合，得到混合液；将混合液升温搅拌，再水洗至中性，最后放入烘箱中干燥，得到反应产物Ⅰ；二、将反应产物Ⅰ转移到高温反应釜中，然后加入去离子水，再放入烘箱中进行水热反应，最后冷却至室温，得到预碳化材料；三、将预碳化材料与活化剂充分研磨，然后在惰性气体保护下升温进行高温碳化，再冷却至室温，得到反应产物Ⅱ；对反应产物Ⅱ进行洗涤并干燥，得到坚果壳衍生多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的坚果壳原料为巴旦木壳、核桃壳、榛子壳和夏威夷果壳中的一种或几种的混合物；步骤一中所述的酸溶液为浓度为1～3mol/L的盐酸或1～3mol/L的硫酸。3.根据权利要求1所述的一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的坚果壳原料的质量与酸溶液的体积比为(3.0g～6.0g):(30mL～60mL)。4.根据权利要求1所述的一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的升温搅拌的温度为60℃～90℃，升温搅拌的时间为6h～12h，升温搅拌的速度为700r/min～900r/min；步骤一中所述的干燥的温度为60℃～120℃，干燥的时间为8h～16h。5.根据权利要求1所述的一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的反应产物Ⅰ的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):(10mL～40mL)；步骤二中所述的水热反应的温度为140℃～200℃，水热反应的时间为4h～8h。6.根据权利要求1所述的一种坚果壳衍生多孔碳材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的研磨的时间为30min～90min；步骤三中所述的活化剂为氢氧化钠或氢氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁国辉，刘明乾，耿林华，耿廷，徐铭，
申请(专利权)人：山西贝特瑞新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：