本发明涉及一种利用小麦秸秆制备钠离子电池电极材料的方法。
背景技术：
传统化石能源一方面随着其开采量的不断增加而造成总储量的不断下降，另一方面在使用过程中造成的坏境污染问题也日益严重，因此必须开发新型清洁能源来满足人类发展的需求。自1990年锂离子电池得以推广起，该储能装置便因其具有高容量密度、功率密度、可循环使用及对环境友好等诸多优点得到了大范围应用。目前锂资源分布的不均匀及高价位成为限制锂离子电池进一步发展的瓶颈，而和锂处于同一主族的钠被认为是最好的替代资源。钠和锂的化学性质相似，并且钠的储量丰富，由此可知开发和设计高性能钠离子电池成为未来研究的重中之重。
在众多电极材料中碳材料由于自身具有较高的导电性，形貌及结构可调节，且稳定性极强等优势成为热门的电极材料之一。以生物废弃物为原料制备碳材料且将其应用在二次电池体系上的研究，近年来刚刚兴起且大多数工作集中在锂离子电池上。由生物废弃物制备的碳材料多为硬碳，传统方法制备的碳材料组装成钠离子电池后通常倍率性能和循环性能不尽理想。提高碳材料储钠性能的最有效方法为增加材料的缺陷和制备多孔材料两种：材料表面的缺陷可帮助储存钠离子并且增加表面的赝电容行为来提高整体的容量，而多孔结构则可促进活性材料和电解液的充分接触保证材料具有较好的倍率性能。
小麦是一种重要的粮食作物，在全世界范围内都大量种植。但是种植小麦所产生的小麦秸秆的处理问题一直困扰着人们。目前人们处理小麦秸秆的一般方法为焚烧和掩埋两种方式，这些方式不仅造成资源的浪费同时还在一定程度上对环境造成破坏。寻找合适的方法将小麦秸秆转变为可提供能量的钠离子电池电极材料为我们同时解决能源危机和环境污染提供了很好的方向。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供利用一种利用小麦秸秆制备钠离子电池电极材料的方法，实现将废弃小麦秸秆转变为高性能钠离子电池电极材料，需要的主要步骤如下：
步骤一：将收集的废弃小麦秸秆分别用水和乙醇进行清洗，反复进行4次，每次清洗时间为30min，随后在80℃下鼓风干燥12h，获得干净干燥的小麦秸秆，搅碎放入壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液中浸泡48小时，然后80℃下鼓风干燥12h，得到改性小麦秸秆，
步骤二：将改性小麦秸秆在一氧化碳与氮气混合气体中煅烧1小时，温度900℃，自然冷却后收集产物。
步骤三：所得材料经高能球磨细化后，过200目筛子，待用。
步骤四：将步骤三产物转移到高能球磨机中，高能球磨细化，产物过100-200目筛子，得到的固体粉末为待用的钠离子电池电极材料。
2根据权利要求1所述的一种利用小麦秸秆制备钠离子电池电极材料的方法，其特征在于，步骤一清洗之前应将产物进行细化处理，清洗时蒸馏水/乙醇溶液和小麦秸秆的质量比为50:1，时间为10-30min，清洗过程反复3-5次。
3根据权利要求1所述的一种利用小麦秸秆制备钠离子电池电极材料的方法，其特征在于，壳聚糖-zn-硅微粉材料制备方法如下：将硅微粉分散于水中，室温下搅拌5h，静置8h后取上清液；
步骤2、将壳聚糖溶于3份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加热处理1h;
步骤3、将上述处理好的壳聚糖醋酸溶液以每分钟30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，继续60℃水浴下搅拌反应5h;
步骤4、然后离心并用纯水洗，最后在真空箱下震荡重新分散在200ml超纯水中，得壳聚糖-硅微粉；
步骤5、将锌粉进行热碱处理：将锰粉首先在热空气下处理1h出扫杂质，然后在转移到10份的naoh溶液里浸泡1h;
步骤6、然后将热碱处理过的锌粉加入到溶液里室温下搅拌1h;
步骤7、将上述溶液转移到聚四氟乙烯反应釜里，然后滴加钛酸酯偶联剂，在氮气氛围，260℃，0.5kpa下反应2h;
步骤8、将处理好的锌溶液加入到上述溶液，得到壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液，
4根据权利要求1所述的一种利用小麦秸秆制备钠离子电池电极材料的方法，其特征在于，步骤五中利用高能球磨将材料进行细化，球磨时控制磨球和产物的质量比为50:1，转速为350转每分钟，球磨时间为1h，经高能球磨后产物颗粒更均匀，随后的过筛处理使最后产物更利于组装电池。
5根据权利要求1所述的一种利用小麦秸秆制备钠离子电池电极材料的方法，其特征在于，所述的步骤二中，氮气与二氧化碳体积比为2-5:1。
本发明包括以下有益效果：本发明将废弃小麦秸秆转变为钠离子电池电极材料的制备方法简单，原料成本低廉，可重复性好，在保护环境的同时还可得到储存能量的高性能钠离子电池。本方法通过将秸秆浸泡在壳聚糖-zn-硅微粉材料溶液中改性处理，大大提高了煅烧后秸秆的活性，使得制备得到的碳材料具有较多缺陷的同时保持了其多孔的特性，这一特性有利于提高所组装的钠离子电池的储钠容量，增强电池的循环稳定性和倍率性能。该方法将废弃小麦秸秆转变而成的钠离子电池电极材料组装成的电池在1000ma/g电流密度下经1000周循环后仍能保持200mah/g的电容量。
附图说明
图1是实施例1中小麦秸秆制备的电极材料的tem图。
具体实施方式
实施例1：
步骤一：将收集的废弃小麦秸秆分别用水和乙醇进行清洗，反复进行4次，每次清洗时间为30min，随后在80℃下鼓风干燥12h，获得干净干燥的小麦秸秆，搅碎放入壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液中浸泡48小时，然后80℃下鼓风干燥12h，得到改性小麦秸秆，
步骤二：将改性小麦秸秆在一氧化碳与氮气混合气体中煅烧1小时，氮气与二氧化碳体积比为3:1，温度900℃，自然冷却后收集产物。
步骤三：所得材料经高能球磨细化后，过200目筛子，待用，
步骤四：将步骤三产物转移到高能球磨机中，高能球磨细化，产物过100-200目筛子，得到的固体粉末为待用的钠离子电池电极材料。
上述壳聚糖-zn-硅微粉材料制备方法如下：
将硅微粉分散于水中，室温下搅拌5h，静置8h后取上清液；
步骤2、将壳聚糖溶于2份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加热处理1h;
步骤3、将上述处理好的壳聚糖醋酸溶液以每分钟30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，继续60℃水浴下搅拌反应5h;
步骤4、然后离心并用纯水洗，最后在真空箱下震荡重新分散在200ml超纯水中，得壳聚糖-硅微粉；
步骤5、将锌粉进行热碱处理：将锰粉首先在热空气下处理1h出扫杂质，然后在转移到10份的naoh溶液里浸泡1h;
步骤6、然后将热碱处理过的锌粉加入到溶液里室温下搅拌1h;
步骤7、将上述溶液转移到聚四氟乙烯反应釜里，然后滴加钛酸酯偶联剂，在氮气氛围，260℃，0.5kpa下反应2h;
步骤8、将处理好的锌溶液加入到上述溶液，得到壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液。
组装钠离子电池电极材料，其中电解液采用碳酸乙烯：碳酸二乙酯（体积比为1:1）+5%氟代碳酸乙烯酯。
组装的钠离子电池，测试结果为：100ma/g的电流密度下容量保持在451mah/g，且在1000ma/g的电流密度下经过1000周循环后依然保持在325mah/g。以上表明该方法制备的电池电极材料具有优异的储钠性能。tem图证实该材料的颗粒尺寸进一步细化且分布均匀。材料的孔分布更加均一。介孔的均匀分布有利于电解液和电极材料的充分接触，且细小的颗粒尺寸能增强电池的倍率性能。
对比例1：
制备工艺与实施例1相同，不同在于，步骤一中，小麦秸秆不经过壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液的改性处理。
组装的钠离子电池，测试结果为：100ma/g的电流密度下容量在251mah/g，且在1000ma/g的电流密度下经过1000周循环后保持在205mah/g。
对比例2：
制备工艺与实施例1相同，不同在于，步骤一中，小麦秸秆在壳聚糖-硅微粉改性溶液中浸泡，其壳聚糖-硅微粉改性溶液制备方法，将硅微粉分散于水中，室温下搅拌5h，静置8h后取上清液；
步骤2、将壳聚糖溶于2份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加热处理1h;
步骤3、将上述处理好的壳聚糖醋酸溶液以每分钟30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，继续60℃水浴下搅拌反应5h;
步骤4、然后离心并用纯水洗，最后在真空箱下震荡重新分散在200ml超纯水中，得壳聚糖-硅微粉，
组装的钠离子电池，测试结果为：100ma/g的电流密度下容量在275mah/g，且在1000ma/g的电流密度下经过1000周循环后保持在221mah/g。
对比例3：
制备工艺与实施例1相同，不同在于，步骤二中，氮气与二氧化碳体积比为1:1。
组装的钠离子电池，测试结果为：100ma/g的电流密度下容量在247mah/g，且在1000ma/g的电流密度下经过1000周循环后保持在212mah/g。
对比例4：
制备工艺与实施例1相同，不同在于，步骤二中，氮气与二氧化碳体积比为1:3。
组装的钠离子电池，测试结果为：100ma/g的电流密度下容量在217mah/g，且在1000ma/g的电流密度下经过1000周循环后保持在192mah/g。
对比例5：
制备工艺与实施例1相同，不同在于，步骤一中，壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液制备方法不同，其制备方法如下：将硅微粉分散于水中，室温下搅拌5h，静置8h后取上清液；
步骤2、将壳聚糖溶于2份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加热处理1h;
步骤3、将上述处理好的壳聚糖醋酸溶液以每分钟30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，继续60℃水浴下搅拌反应5h;
步骤4、然后离心并用纯水洗，最后在真空箱下震荡重新分散在200ml超纯水中，得壳聚糖-硅微粉；
步骤5、将上述溶液转移到聚四氟乙烯反应釜里，然后滴加钛酸酯偶联剂，在氮气氛围，260℃，0.5kpa下反应2h;
步骤6、将普通锌溶液加入到上述溶液，得到壳聚糖-zn-硅微粉改性溶液。
组装钠离子电池电极材料，其中电解液采用碳酸乙烯：碳酸二乙酯（体积比为1:1）+5%氟代碳酸乙烯酯。
组装的钠离子电池，测试结果为：100ma/g的电流密度下容量保持在241mah/g，且在1000ma/g的电流密度下经过1000周循环后依然保持在227mah/g。
实施例和对比例表明，壳聚糖-zn-硅微粉改性对于制备以小麦为原料的钠离子电极材料有着很重要的影响。