【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种生物炭材料及其制备方法和在锂金属二次电池中的应用，具体涉及一种禽类骨骼衍生的生物炭材料，以及生物炭材料与锂金属一起复合作为金属锂负极，属于锂金属二次电池。
技术介绍
1、随着电动汽车和便携电子设备的高速发展，电池设计中对高能量密度的追求日益凸显。锂离子电池自上世纪九十年代面世以来，发展至今已成为应用最为广泛的二次电池。目前，商用锂离子电池中的主流负极材料仍是石墨，其较低的理论容量密度(372mah/g)限制了锂离子电池能量密度的突破发展。而金属锂由于其极高的理论容量密度(3860mah/g)，成为了下一代高容量负极材料的理想选择。但是金属锂的高反应活性也带来了锂枝晶生长的问题，同时，锂负极在充放电过程中不断沉积、剥离还伴随着难以忽视的体积膨胀问题。这些问题导致了金属锂负极在电池循环过程中的寿命衰减以及安全性问题。严重阻碍了金属锂负极的实际应用。
2、三维骨架碳材料复合金属锂负极的设计有望解决上述问题。三维骨架不仅能够限制金属锂负极的体积膨胀，在其上构建亲锂性位点，还能实现对金属锂沉积位点的调控，从而抑制枝晶的生长。金属骨架材料(如泡沫铜、泡沫碳等)的密度较大，对复合电极的容量密度有较大限制，而碳材料由于其环境友好性、结构可设计性已被研究者用于金属锂复合电极。但是，碳材料的亲锂性较差，锂在碳上发生沉积时需要额外的能量来克服异质成核，不利于电池的循环稳定性。jin等人利用植物导管的垂直孔结构，通过碱活化法合成了亲锂氧化锌负载的竹子衍生分级多孔碳(nano energy,2017,37,177-186)，
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种生物炭材料及其制备方法和在锂金属二次电池中的应用，以禽骨为原料的仿生结构多孔碳材料及包含其的复合金属锂负极，利用禽类骨骼中的羟基磷酸钙等无机物作为天然模板构建微观骨架结构，利用骨胶原蛋白中的含氮和含硫成分作为氮源和硫源，引入均匀的亲锂性位点，避免了金属锂骨架碳材料需引入活化剂造孔、二次引入亲锂物种的复杂流程和环境风险。
2、本专利技术的技术解决方案是：
3、一种生物炭材料，该生物炭材料包括氮原子、硫原子和多孔骨架结构，氮原子和硫原子掺杂在多孔骨架结构上，多孔骨架结构的材料为碳材料。
4、一种生物炭材料的制备方法，该方法的步骤包括：
5、(1)将禽骨用浸没的沸水煮1-1.5h，取出禽骨并除去骨棒上的杂质，然后室温风干后粉碎，得到骨粉；
6、(2)将步骤(1)得到的骨粉放入管式炉中，在氮气或惰性气体保护气氛下，以5-10℃/min的升温速率，在700-900℃下煅烧1-2h，得到碳化产物；
7、(3)将步骤(2)得到的碳化产物用稀硝酸浸泡2-3h，以除去无机成分，抽滤，得到滤饼a，将滤饼a使用去离子水洗涤至中性，得到滤饼b；
8、(4)将步骤(3)得到的滤饼b浸泡于稀硫酸中，以调控滤饼b表面的杂原子及官能团，抽滤，得到滤饼c，将滤饼c使用去离子水洗涤至中性，干燥后得到禽类骨骼衍生的生物炭材料。
9、所述步骤(3)中，稀硝酸的浓度为1-2m；
10、所述步骤(4)中，稀硫酸的浓度为1-2m(mol/l)；
11、一种生物炭材料在锂金属二次电池中的应用，应用时该生物炭材料与锂金属复合作为锂金属二次电池的负极；
12、所述锂金属二次电池的负极的制备方法为：
13、第一步，将得到的生物炭材料、导电剂和粘合剂混合均匀后加入n-甲基吡咯烷酮制成浆料，然后将制成的浆料涂覆在铜箔上，干燥后裁剪成圆片；
14、第二步，将第一步得到的圆片作为正极、锂片作为负极、聚丙烯作为隔膜、1m双三氟甲基磺酰亚胺锂溶液为电解液组装成cr2025型扣式电池或cr2016型扣式电池；
15、第三步，将第二步组装的扣式电池静置12-16h，然后以0.1-1ma/cm2的电流密度进行恒电流放电，使锂金属沉积在碳骨架中，截止容量为1-6mah/cm2；
16、第四步，在氩气氛手套箱中拆解第三步完成放电的扣式电池，取出正极极片，用乙二醇二甲醚冲洗，烘干后制得锂金属二次电池的负极，即复合金属锂负极；
17、所述第一步中，导电剂为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯，生物炭材料、导电剂和粘合剂的质量比为6-8:1-3:1，圆片的直径为11-16mm；
18、所述第二步中，1m双三氟甲基磺酰亚胺锂溶液的溶剂为1,3-二氧戊烷和乙二醇二甲醚的混合物，1,3-二氧戊烷和乙二醇二甲醚的体积比1:1。
19、一种锂金属二次电池，以磷酸铁锂作为正极、以得到的复合金属锂负极作为负极、聚丙烯作为隔膜、1m双三氟甲基磺酰亚胺锂溶液为电解液进行组装，得到锂金属二次电池；
20、对得到的复合金属锂负极进行循环性能测试时，组装了对称电池，该对称电池以得到的复合金属锂负极既作为负极也作为正极、聚丙烯作为隔膜、1m双三氟甲基磺酰亚胺锂溶液为电解液进行组装，测试时的方法为恒电流充放电测试，测试时的电流密度为1-2ma/cm2，截止容量为1-2mah/cm2，测试结果为：在1ma/cm2、1mah/cm2下稳定循环750h，在1ma/cm2、2mah/cm2下稳定循环250h。
21、有益效果
22、(1)本专利技术以废弃禽骨为原料，利用其在热解过程中羟基磷酸钙分解和胶原蛋白碳化的特点，通过自模板法，一步合成了氮、硫共掺杂的生物炭材料。合成过程中无需引入活化剂和额外的杂原子源，流程简单，成本较低，兼具环境友好性。
23、(2)本专利技术制备的具有骨架结构的生物炭材料表现出多级孔结构和大孔容(>0.94cm3/g)，复合金属锂负极表现出了较小的体积膨胀率(在2mah/cm2沉积量时≈0)，从而提升了电池的循环稳定性(对称电池在1ma/cm2，1mah/cm2下稳定循环750h)。
24、(3)本专利技术中由胶原蛋白引入的均匀氮原子和硫原子掺杂，相比于碳具有更高的亲锂性，能够降低金属锂的成核过电位(在0.1ma/cm2下仅12.4mv)，促进锂的均匀沉积，避免锂枝晶生长，从而提升电池的循环稳定性(半电池在1ma/cm2，1mah/cm2下循环489周时库伦效率＞98％)。
25、(4)本专利技术的方法简便，环境友好，为金属锂负极碳骨架材料的设计和高能量密度锂电池的设计提供了新思路。
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1.一种生物炭材料，其特征在于：
2.一种生物炭材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
3.根据权利要求2所述的一种生物炭材料的制备方法，其特征在于：
4.根据权利要求2或3所述的一种生物炭材料的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求2所述的一种生物炭材料的制备方法，其特征在于：
6.一种生物炭材料在锂金属二次电池中的应用，其特征在于：应用时该生物炭材料与锂金属复合作为锂金属二次电池的负极。
7.根据权利要求6所述的一种生物炭材料的应用，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的一种生物炭材料的应用，其特征在于：
9.根据权利要求7所述的一种生物炭材料的应用，其特征在于：
10.一种锂金属二次电池，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种生物炭材料，其特征在于：
2.一种生物炭材料的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
3.根据权利要求2所述的一种生物炭材料的制备方法，其特征在于：
4.根据权利要求2或3所述的一种生物炭材料的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求2所述的一种生物炭材料的制备方法，其特征在于：
6.一种生物炭材...
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