一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，属于电极材料制备技术领域；本发明专利技术包括以下步骤：将生物质与钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉充分振荡混合，取适量混合物在管式炉中通入氩气、氦气、氮气、氖气等保护气体进行高温碳化。反应结束后取出反应物用低浓度盐酸进行酸洗，搅拌若干小时，充分去除在反应物中存在的氧化钾、氧化钙、氧化纳、氧化镁、氧化铝、氧化锌等杂质，最后进行抽滤烘干，得到目标碳材料。本发明专利技术提供生物质碳作为锂、钾、钠离子电池的负极表现出优异的电化学性能，且制备方法具有制备工艺简单，成本低廉，成碳转换率高，石墨化程度高和利于规模化生产等优点。于规模化生产等优点。于规模化生产等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及电极材料制备
，尤其涉及一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着经济的发展，社会的进步，传统的化石能源资源有限，并且其大多数燃烧产物污染环境，因此能源危机和环境污染问题日益突出。故而，开发新型清洁能源尤为重要，如风能、核能、太阳能、生物能、地热能等。然而，新能源的开发和利用需要建立完善统一的理论体系，其中储能是极其重要的一部分。
[0003]锂、钾、钠离子电池被认定为发展前景较好的能量存储装置，具有工作电压高、高比容量、循环性能优秀、使用便捷无危险且无记忆效应等众多优势，当今在种类繁多的储能电池产品中脱颖而出，其市场需求在不断的飙升。
[0004]碳材料具有化学性质稳定，电导率高，新貌结构可调整，制备方法繁多，成本低等优点，被广泛运用到锂、钾、钠离子电池当中去。通常碳材料依据石墨化程度和微晶结构的不同可分为石墨化碳、无定形碳和新型碳材料等。其中石墨化碳材料的石墨化程度较高，具有较高的比容量和充放电平台，但对电解液的组成较敏感，耐过充能力差，在充放电过程中石墨晶易遭到破坏。无定形碳材料主要由石墨微晶和无定形区组成，首先，对钾离子电池来说，无定形碳材料在钾离子电池中具有良好的电化学性能和嵌入/脱嵌能力，可以提高电池的能量密度、循环稳定性和充放电速率，是一种有潜力的电极材料，但是由于无定形碳材料具有无规则的结构，其电容衰减速度较快，可能导致电池的循环寿命较短并且容量衰减较快。其次，对锂离子电池来说，虽然其具有较高的可逆储锂容量，但锂离子嵌入微孔后较难脱出，导致了循环性能较差和较大的首次不可逆容量。最后，对钠离子电池来说，无定形碳材料在钠离子电池中可作为优良的电极材料，可以提高电池的能量密度、功率密度和循环寿命，但是，无定形碳材料的比容量通常较低，这意味着每单位质量的材料能够嵌入/脱嵌的钠离子数量有限，这会限制电池的储能能力和能量密度。新型碳材料主要有富勒烯、碳纳米管和石墨烯等，由于其独特的结构和形态，能够通过多种方式适应不同的导电场景，所以在电池、电容器领域有广泛的应用前景，但是其制备工艺较为复杂，不适合大规模生产与应用。因此，寻找成本低、性能优良的碳材料已经成为了本领域的一个重要研究方向。
[0005]生物质(如秸秆、甘蔗、木材)富含有机碳，适宜将其用作制备生物质碳，这不仅可以节约资源，保护环境，还可以制备出用途广泛的生物质碳并且多孔生物质碳具有良好的分级多孔结构，对环境污染小，电导率高等性质，可以缩短离子扩散的距离，促进电子的传输，并提高倍率性能。其中农业废弃物是环境污染的主要源头。故而，将大量的农业废弃物生物质转换为高附加值的碳材料具有重要的意义，传统的生物质处理方法常常是直接焚烧，但是在碳化过程中，生物质中大量的含氧官能团会直接自活化而刻蚀碳基底，导致碳源损失，降低成碳转换率，并且生成的碳材料缺陷较多，石墨化程度不够高进而影响导电性能。
[0006]因此，寻求一种简单高效，可控性高的生物质碳电池负极材料制备方法，实现针对同步实现高致密度、高效、高比容量、高库伦效率与低离子存储电位的高性能碳负极材料的制备具有非常重要的意义。本专利技术提供了一种钾离子，锂离子和钠离子电池负极材料的制备方法，采用金属热还原的方法制备钾离子，锂离子和钠离子电池所用碳材料，有助于同步改善电池的首圈库伦效率、比容量、倍率性能、并提高循环性能，提供一种成本低廉、精准可控、可大规模工业生产、适用于钾离子、锂离子和钠离子电池的高能量密度碳基负极材料及其制备方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于改善锂、钾、钠离子电池的首圈库伦效率低、比容量低、循环性能差和倍率性能差等问题而提出的一种成本低廉、绿色环保、精准可控、可大规模工业生产、适用于锂、钾、钠离子电池的高能量密度碳基负极材料及其制备方法。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1、将适量钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉与生物质混合；
[0011]S2、将S1中所得的混合物震荡然后进行研磨，放入管式炉中进行烧制，气体氛围为Ar、He、N2、Ne；
[0012]S3、将S2中反应后得到的生物质碳用稀盐酸浸洗，浸洗的过程中通过搅拌将其中的钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛盐洗去，抽滤烘干后称重，制得目标碳材料。
[0013]优选地，所述S1中钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉与生物质碳的质量比为1:1.5
‑
1:5；
[0014]优选地，所述S2中钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉与生物质碳混合后，充分震荡12
‑
1 5h后并研磨30
‑
40min，形成均匀的混合物。
[0015]优选地，所述S2中管式炉烧制温度为800～1100℃，烧制时间为2
‑
5h。
[0016]优选地，所述S3中所用稀盐酸浓度为1～3mol/L，浸洗的过程中搅拌时间为24～48h，抽滤时间约为30min，放入烘箱后的烘干时间为12～24h。
[0017]优选地，S3中搅拌操作所采用的机器为DF
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101S分体式集热式恒温加热磁力搅拌器，搅拌转速为1000PRM
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1300PRM；
[0018]一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料在制备锂、钾、钠离子电池负极极片上的应用，包括如下步骤：
[0019]A1、将所述生物质碳材料与碳黑和聚偏二氟乙烯混合研磨30min，其中生物质碳材料、碳黑和聚偏二氟乙烯的重量比为8：1：1，研磨过程包括20min干磨和10min湿磨，获得研磨浆液；
[0020]A2、将A1中所得研磨浆液和溶剂NMP混合均匀，并涂覆到铜箔电极上，制得生物质碳电极；
[0021]A3、将A2中制得的生物质碳电极放置于真空烘箱中，在60℃条件下干燥12h，并切片处理，制得钾离子，锂离子和钠离子电池负极极片。
[0022]与现有技术相比，本专利技术提供了一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，具备以下有益效果：
[0023]本专利技术所提出的作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，在制备过程中加入了金属镁，利用金属镁、铝、锌、钛的强还原性，其会优先与生物质中大量的含氧官能团反应，从而降低了碳源的损耗，提高了成碳转化率以及减少了碳材料中缺陷。此外，金属镁、铝、锌、钛与含氧官能团在局部反应会放出大量的热，高温高压的反应环境提高了局部的石墨化程度，增强了材料的电导率，最终合成出性能优异的硬碳
‑
石墨化碳的碳碳复合物。上述优点是其他生物质转化方法无法实现的，且本专利技术提供的锂、钾、钠离子电池碳基负极材料的合成制备方法具有成本低廉、成分可精准控制、利于规模化生产等优点。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将适量钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉与生物质混合；S2、将S1中所得的混合物震荡然后进行研磨，放入管式炉中进行烧制，气体氛围为Ar、He、N2、Ne；S3、将S2中反应后得到的生物质碳用稀盐酸浸洗，浸洗的过程中通过搅拌将其中的钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛盐洗去，抽滤烘干后称重，制得目标碳材料。2.根据权利要求1所述的一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述S1中钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉与生物质碳的质量比为1:1.5
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1:5。3.根据权利要求1所述的一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述S2中钾、钙、钠、镁、铝、锌、钛和铸铝合金粉与生物质碳混合后，充分震荡12
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1 5h后并研磨30
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40min，形成均匀的混合物。4.根据权利要求1所述的一种作为锂、钾、钠离子电池负极的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，所述S2中管式炉烧制温度为800～1100℃，烧制时间为2
‑
5h。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢震宇，李伟峰，侯梦飞，黄祺，姚平俊，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：