一种类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料及其制备方法与流程

本发明属于离子电池碳负极材料制备技术领域，具体涉及一种类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料及其制备方法。

背景技术：

随着时代的进步和社会的发展，能源危机和环境问题已经成为全球范围内亟待解决的重要问题。在我国制定的“十二五”规划中，将新能源，新材料，新能源汽车产业作为我国国民经济的先导产业，所以开发和生产能够快速充放电且能量密度高的电动汽车已经势在必行。生物碳材料具有巨大的比表面积和发达的孔隙结构，其中不同尺寸的微孔和中孔结构对离子的传输，解决大电流充放电有重要作用。生物碳材料具有比容量高、循环性能好等特点而被广泛研究。基于绿色经济，节能环保的经济理念。生物质(农林业生产过程中的秸秆、树木等木质纤维素，农业废弃物等)能源，作为一种重要的可再生资源，具有较为广泛的用途和良好的应用价值。以廉价的生物质为原料制备电化学性能良好的碳电极，降低电池成本，提高电池的性能，具有很好的应用前景，但是目前的生物质大都是直接焚烧，造成环境污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料及其制备方法，该方法中采用可再生原料，制得碳电极材料为类蜂窝状三维结构，增大了电极材料与电解液的接触，有利于电子扩散进入碳层内部。

为了达到上述目的，本发明方法采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(1)将植物秸秆加入到醇溶液中浸渍12～48h，分离干燥得到预制体；

(2)向预制体中加入活化剂，然后在保护气体的保护下，升温至400～900℃并保温2～5h；

(3)将保温后的产物后处理得到类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料。

进一步地，步骤(1)中植物秸秆经过预处理再加入到醇溶液中；预处理是将植物秸秆用去离子水洗涤烘干至恒重，然后粉碎至0.5～1mm。

进一步地，步骤(1)中每3g植物秸秆浸渍在50mL的醇溶液中；醇溶液是浓度为0.5～3mol/L的乙醇溶液。

进一步地，步骤(1)中在60℃干燥12～24h得到预制体。

进一步地，步骤(2)中活化剂为KOH、NaOH、ZnCl₂或K₂CO₃。

进一步地，步骤(2)中活化剂与预制体的质量比为(0.2～1)：1。

进一步地，步骤(2)中保护气体是氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或者任意两种以上的混合气体；保护气体的流速为20sccm～100sccm。

进一步地，步骤(2)中的升温速率为1～10℃/min。

进一步地，步骤(3)中的后处理是将保温后的产物依次用盐酸、去离子水和乙醇洗涤至中性，再在60～120℃真空干燥12～24h。

一种利用如上所述类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料的制备方法制得的类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法以植物秸秆为原料，通过在醇溶液中浸渍，并经过和活化剂一起保温制得类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料，制备的碳材料具有三维结构，较大的比表面积，能够增大电极材料与电解液的接触，有利于电子扩散进入碳层内部，有效改善锂离子电池的性能，是一种比较理想的离子电池负极材料；本发明制备工艺简单，可重复性高，低成本，绿色环保。同时本发明利用油菜秸秆，玉米秸秆，稻壳，油菜壳，麦秆，棉花秸秆等植物秸秆类生物质原料代替木材与塑料制备新型碳电极材料，可充分利用废弃生物质资源，避免直接焚烧时所造成的环境污染，为其提供一条可靠的可持续发展的途径，也为碳电极材料的制备提供了新的路径。

本发明的碳电极材料具有三维结构，较大的比表面积，该电极材料组装的锂离子电池在100mA g^-1电流密度下，容量维持在500mAh g^-1，是一种比较理想的离子电池负极材料。

【附图说明】

图1为本发明实施例1中制备碳材料的SEM图；

图2为本发明实施例1中制备碳材料负极制备锂离子电池的电化学性能。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明中植物秸秆采用油菜秸秆、玉米秸秆、稻壳、油菜壳、麦秆或棉花秸秆；其处理方式相同，以下以油菜壳为例进行说明，本发明一种类蜂窝状锂/钠电池负极碳电极材料的制备方法，包括以下几个步骤：

首先，将洗涤后在60℃烘干至恒重的3g油菜壳粉碎至0.5～1mm；常温下浸渍在50mL浓度为0.5～3mol/L的乙醇溶液中12～48h，抽滤，然后60℃干燥12～24h得到预制体，将预制体转移到气氛炉下，按比例向预制体中加入活化剂，活化剂可以是KOH，NaOH，ZnCl₂，K₂CO₃中的任意一种，碱与预制体的质量比为(0.2～1)：1；在气氛保护下按1～10℃/min的升温速率升温到设定温度，如400～900℃保温2～5h；其中保护气体是氮气、氩气、氦气、氖气中的任意一种或者两种以上的混合气体，气体流速为20sccm～100sccm；再在浓度为3mol/L的盐酸室温下磁力搅拌6～12h洗涤，除去活化剂；最后用去离子水和乙醇依次洗涤3次，60～120℃真空干燥12～24h得到类蜂窝状负极碳电极材料。

实施例一：

首先，将3g洗涤烘干至恒重油菜壳粉碎至0.5～1mm；浸渍在2mol/L的乙醇溶液中24h，抽滤然后60℃干燥12h转移到气氛炉下，按KOH:预制体＝0.2:1比例加入活化剂，在氮气气氛(50sccm)保护下5℃/min升温到800℃保温2h；再放入3mol/L盐酸中在室温下磁力搅拌12h。最后用去离子水和乙醇洗涤3次，60℃真空干燥12h得到类蜂窝状负极碳电极材料。

从图1中可以看出，所制备的碳材料为类蜂窝状结构。

从图2中可以看出，该电极材料组装的锂离子电池在100mA g^-1电流密度下，容量维持在500mAh g^-1，表现出优异的电化学性能。

实施例二：

首先，将3g洗涤烘干至恒重油菜壳粉碎至0.5～1mm；浸渍在0.5mol/L的乙醇溶液中48h，抽滤然后60℃干燥24h转移到气氛炉下，按K2CO3:预制体＝0.5:1比例加入活化剂，在氩气气氛(100sccm)保护下5℃/min升温到900℃保温5h；再放入3mol/L盐酸中在室温下磁力搅拌6h。最后用去离子水和乙醇洗涤3次，70℃真空干燥24h得到类蜂窝状负极碳电极材料。

实施例三：

首先，将3g洗涤烘干至恒重油菜壳粉碎至0.5～1mm；浸渍在3mol/L的乙醇溶液中24h，抽滤然后60℃干燥24h转移到气氛炉下，按NaOH:预制体＝0.5:1比例加入活化剂，在氩气气氛(50sccm)保护下2℃/min升温到400℃保温5h；再放入3mol/L盐酸中在室温下磁力搅拌12h。最后用去离子水和乙醇洗涤3次，90℃真空干燥24h得到类蜂窝状负极碳电极材料。

实施例四：

首先，将3g洗涤烘干至恒重油菜壳粉碎至0.5～1mm；浸渍在3mol/L的乙醇溶液中12h，抽滤然后60℃干燥24h转移到气氛炉下，按ZnCl2:预制体＝1:1比例加入活化剂，在氮气和氦气(1:1)气氛(20sccm)保护下10℃/min升温到900℃保温2h；再放入3mol/L盐酸中在室温下磁力搅拌6h。最后用去离子水和乙醇洗涤3次，100℃真空干燥24h得到类蜂窝状负极碳电极材料。

实施例五：

首先，将3g洗涤烘干至恒重油菜壳粉碎；浸渍在1mol/L的乙醇溶液中36h，抽滤然后60℃干燥18h转移到气氛炉下，按KOH:预制体＝0.5:1比例加入活化剂，在氖气气氛(50sccm)保护下5℃/min升温到600℃保温4h；再放入3mol/L盐酸中在室温下磁力搅拌12h。最后用去离子水和乙醇洗涤3次，120℃真空干燥18h得到类蜂窝状负极碳电极材料。

本发明涉及碳电极材料的制备方法及应用，具体表现为涉及利用多产的农产品油菜籽壳制备类蜂窝状碳电极材料的方法。本发明工艺简单，制得的材料电化学性能良好，低成本，绿色环保，可应用于电池负极材料。本发明为以农作物油菜籽的壳作为原料在醇的溶液中浸渍，然后再气氛保护下加碱碳化制备电池负极类蜂窝状碳材料，该方法制备的碳材料具有三维结构，较大的比表面积，是一种比较理想的离子电池负极材料，且制备工艺简单，易于产业化。

(1)本发明是一种变废为宝，绿色环保的方法。油菜壳作为农业副产物来源广泛，价格低廉。

(2)本发明制备的三维结构碳材料结构能够增大了电极材料与电解液的接触，有利于电子扩散进入碳层内部，有效改善锂离子电池的性能。

(3)本发明制备工艺简单，可重复性强，适用于大规模生产。