油脂制备碳材料的方法及其作电池负极应用

本发明涉及油脂应用，具体为油脂制备碳材料的方法及其作电池负极应用。

背景技术：

1、可再生能源的广泛应用需要开发高效、低成本的绿色能源存储系统。与普及市场的锂离子电池(libs)相比，钠离子电池(sibs)和钾离子电池(pibs)同样具有许多优势，包括钠(2.3wt％)和钾(1.5wt％)资源丰富，价格低廉，较低的氧化还原电位等。其工作原理和电池器件与锂离子电池相似，是大型存储设备中高性能电池的理想候选。然而，传统的锂离子电池石墨负极不适合应用于sibs和pibs，充放电时出现严重的体积膨胀(石墨结构坍塌)，导致循环稳定性差。因此，锂、钠、钾离子电池的性能突破与负极材料的开发至关重要。生物质基硬碳具有原材料资源丰富、成本低和环保的特点，被认为锂、钠、钾电池最有潜力的负极材料。

2、本发明采用的电极制备原料是生物质油脂，一般来源为植物油、动物油，以及被使用过的工业废油、餐厨废油等。当前油脂在诸多领域都受到广泛的应用，主要用途是供食用，但也广泛用于制造肥皂、油漆、生物柴油、乳化剂、润滑剂等。然而以上利用油脂制作的二次产品在使用后所产生的废气、废液和废渣，如二氧化碳等会再次排放到大自然中，加剧温室效应，不符合低碳生活以及绿色环保的新发展理念。因此，如何高效的资源化利用油脂变得至关重要，特别是减小废弃油脂(如工业废油、餐厨废油)对环境的污染，维持生态系统碳平衡，取得良好的环境经济效益。研究发现，油脂主要成份是不饱和脂肪酸甘油酯，其丰富的长链碳氢分子中含有大量的碳质。同时废弃油脂还含有丰富的微量元素，如n、b、s和p等。与其他碳源不同的是，油脂在经过高温煅烧后，其长链碳氢分子容易分解为c5-c8范围内的短链碳氢分子，从而形成结构各异的碳纳米片。同时，碳材料上的杂原子可通过在其表面修饰官能团，能够提高碳材料反应活性并为电池中的li+、na+、k+提供额外的存储位点，从而显著提升碳材料的电化学性能。这为其转化为碳材料并应用于电池负极材料提供了可能，并展现出优异的潜能。

3、本发明将油脂升级转化负极材料，并应用于新能源电池技术领域，不仅获得优良的电池性能，而且将废弃油脂实现废物再利用，又可减少环境污染和资源浪费，实现油脂的增值和高效利用。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供油脂制备碳材料的方法及其作电池负极应用，来拓展油脂的应用方向，以及解决废弃油脂的回收再利用、电池电极碳材料制作原材料成本较高的问题。

2、本发明解决技术问题采用的技术方案为油脂制备碳材料的方法及其作电池负极应用，包括以下步骤：

3、步骤1：油脂提纯，原材料油脂中含有各种类型的杂质，首先将油脂通过抽滤装置进行过滤，可将较大颗粒物质去除，提升油脂的纯度；最后经过吸附剂吸附小颗粒杂质并静置，提纯出油脂，即为高纯度的高级脂肪酸甘油酯；

4、步骤2：油脂固化，向步骤1中提纯的高纯度的高级脂肪酸甘油酯添加适量碱性物质，并加入无水乙醇进行搅拌，加速反应进行，通过酯分解反应可以获得甘油和主要成分高级脂肪酸盐，提取混合物中的高级脂肪酸盐；

5、步骤3：掺氮改性，向步骤2中获得的高级脂肪酸盐中添加富氮剂，并均匀混合；

6、步骤4：高温煅烧，将步骤3中获得的高级脂肪酸盐与三聚氰胺的混合物放置在高温煅烧装置中进行煅烧，直到高级脂肪酸盐与富氮剂的混合物完全碳化；

7、步骤5：洗涤烘干，将煅烧后的产物进行多次酸洗和乙醇洗涤，去除产物中无机盐杂质和有机物杂质等，然后进行烘干。

8、步骤6：将步骤5获得的碳材料作为锂、钠、钾离子电池的负极材料，并应用于锂、钠、钾离子电池。

9、优选的：所述步骤1中添加适量吸附剂搅拌后在进行静置，除去油脂中的杂质，然后过滤提纯。

10、优选的：所述步骤2酯分解反应中的高级脂肪酸甘油酯和碱性物质的质量比例为1:(1-3)。

11、优选的：所述步骤2中的酯分解反应的催化条件采用水浴加热，加热温度范围控制在50℃-100℃。

12、优选的：所述步骤3中的加入富氮剂与油脂的质量比例为1:(3-5)，进行氮元素掺杂增强材料的电化学性能。

13、优选的：步骤4所述高温煅烧包括如下步骤：

14、(1)初次煅烧：将高级脂肪酸盐与三聚氰胺的混合物放置于煅烧装置中，温度提升到温度150-500℃；

15、(2)二次煅烧：在初次煅烧后，将所得材料升温至温度600-2500℃后，保持温度不变持续进行煅烧0.5-5小时；

16、所述初次煅烧过程中是温度采用分段逐渐升至较低温度150-500℃，且温度上升至150℃、350℃分别持续煅烧后再继续升温(5℃/min)，最终达到较高温度600-2500℃，进入二次煅烧，二次煅烧温度持续0.5-5小时。

17、优选的：所述步骤5中的烘干温度控制在50℃-200℃，且采用真空烘箱进行辅助烘干。

18、与现有电池的负极碳材料相比，本发明的有益效果是：

19、本发明利用油脂制备适用于锂离子电池(libs)、钠离子电池(sibs)和钾离子电池(pibs)的高品质电极碳材料，生产清洁能源，提高油脂的综合利用价值。拓宽废弃油脂回收应用领域，减少其带来的城市污染，且可以较好地降低电极碳材料的生产成本，推动新能源电池行业的发展。

20、(1)通过对最终产物碳材料结构和性能的研究，简化油脂(包括废弃油脂)提炼步骤，去除影响较小的工艺环节，优化出一条简单、高效的油脂提炼路径，节约生产时间，降低生产成本，为工业化生产提供可能性。

21、(2)提高酯分解反应生产效率，将油脂高效地转化为高级脂肪酸盐，从而保证最终碳材料的高产率。通过对酯分解反应以及碳化反应的优化，将油脂转化为碳材料的产率提高到80％。

22、(3)制备工艺中采用碱性物质(如氢氧化钾koh)和富氮剂(如三聚氰胺c3n3(nh2)3)作为双致孔剂，能够为碳材料提供丰富的孔径。通过对致孔剂量的控制以及致孔条件的优化，将碳材料的比表面积提升至1500m2g-1以上，孔容达到1cm3g-1以上。

23、(4)采用富氮剂(如三聚氰胺c3n3(nh2)3)作为氮源增加碳材料中氮含量，通过优化c3n3(nh2)3掺杂量以及掺杂反应温度和时间，从而将碳材料的含氮量提高。由于碳材料上的n原子电负性较强，并且具有孤对电子，n原子对li+、na+和k+的吸附能力远远强于碳材料本身，从而提高锂离子电池(libs)、钠离子电池(sibs)和钾离子电池(pibs)的电化学存储容量。

24、(5)本发明制备出的富氮多孔碳材料具有结构上的许多优势，在锂离子电池(libs)、钠离子电池(sibs)和钾离子电池(pibs)中都能获得优异的电化学性能。其中对于libs比容量达到1331mahg-1以上，首圈库伦效率达到85％以上，循环稳定性达到1000圈以上；对于sibs比容量达到489mahg-1以上，首圈库伦效率达到60％以上，循环稳定性达到1000圈以上；对于pibs比容量达到388mahg-1以上，首圈库伦效率达到50％以上，循环稳定性达到1000圈以上。通过获得稳定且优异的电化学性能，为油脂制备负极材料的进一步工业化生产打下基础。