本發(fā)明屬于離子電池碳負(fù)極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境問題已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)亟待解決的重要問題。在我國(guó)制定的“十二五”規(guī)劃中，將新能源，新材料，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，所以開發(fā)和生產(chǎn)能夠快速充放電且能量密度高的電動(dòng)汽車已經(jīng)勢(shì)在必行。生物碳材料具有巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，其中不同尺寸的微孔和中孔結(jié)構(gòu)對(duì)離子的傳輸，解決大電流充放電有重要作用。生物碳材料具有比容量高、循環(huán)性能好等特點(diǎn)而被廣泛研究?；诰G色經(jīng)濟(jì)，節(jié)能環(huán)保的經(jīng)濟(jì)理念。生物質(zhì)(農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素，農(nóng)業(yè)廢棄物等)能源，作為一種重要的可再生資源，具有較為廣泛的用途和良好的應(yīng)用價(jià)值。以廉價(jià)的生物質(zhì)為原料制備電化學(xué)性能良好的碳電極，降低電池成本，提高電池的性能，具有很好的應(yīng)用前景，但是目前的生物質(zhì)大都是直接焚燒，造成環(huán)境污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料及其制備方法，該方法中采用可再生原料，制得碳電極材料為類蜂窩狀三維結(jié)構(gòu)，增大了電極材料與電解液的接觸，有利于電子擴(kuò)散進(jìn)入碳層內(nèi)部。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明方法采用如下技術(shù)方案：

包括以下步驟：

(1)將植物秸稈加入到醇溶液中浸漬12～48h，分離干燥得到預(yù)制體；

(2)向預(yù)制體中加入活化劑，然后在保護(hù)氣體的保護(hù)下，升溫至400～900℃并保溫2～5h；

(3)將保溫后的產(chǎn)物后處理得到類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料。

進(jìn)一步地，步驟(1)中植物秸稈經(jīng)過預(yù)處理再加入到醇溶液中；預(yù)處理是將植物秸稈用去離子水洗滌烘干至恒重，然后粉碎至0.5～1mm。

進(jìn)一步地，步驟(1)中每3g植物秸稈浸漬在50mL的醇溶液中；醇溶液是濃度為0.5～3mol/L的乙醇溶液。

進(jìn)一步地，步驟(1)中在60℃干燥12～24h得到預(yù)制體。

進(jìn)一步地，步驟(2)中活化劑為KOH、NaOH、ZnCl₂或K₂CO₃。

進(jìn)一步地，步驟(2)中活化劑與預(yù)制體的質(zhì)量比為(0.2～1)：1。

進(jìn)一步地，步驟(2)中保護(hù)氣體是氮?dú)狻鍤?、氦氣和氖氣中的一種或者任意兩種以上的混合氣體；保護(hù)氣體的流速為20sccm～100sccm。

進(jìn)一步地，步驟(2)中的升溫速率為1～10℃/min。

進(jìn)一步地，步驟(3)中的后處理是將保溫后的產(chǎn)物依次用鹽酸、去離子水和乙醇洗滌至中性，再在60～120℃真空干燥12～24h。

一種利用如上所述類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料的制備方法制得的類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明方法以植物秸稈為原料，通過在醇溶液中浸漬，并經(jīng)過和活化劑一起保溫制得類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料，制備的碳材料具有三維結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，能夠增大電極材料與電解液的接觸，有利于電子擴(kuò)散進(jìn)入碳層內(nèi)部，有效改善鋰離子電池的性能，是一種比較理想的離子電池負(fù)極材料；本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，可重復(fù)性高，低成本，綠色環(huán)保。同時(shí)本發(fā)明利用油菜秸稈，玉米秸稈，稻殼，油菜殼，麥稈，棉花秸稈等植物秸稈類生物質(zhì)原料代替木材與塑料制備新型碳電極材料，可充分利用廢棄生物質(zhì)資源，避免直接焚燒時(shí)所造成的環(huán)境污染，為其提供一條可靠的可持續(xù)發(fā)展的途徑，也為碳電極材料的制備提供了新的路徑。

本發(fā)明的碳電極材料具有三維結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，該電極材料組裝的鋰離子電池在100mA g^-1電流密度下，容量維持在500mAh g^-1，是一種比較理想的離子電池負(fù)極材料。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中制備碳材料的SEM圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中制備碳材料負(fù)極制備鋰離子電池的電化學(xué)性能。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明中植物秸稈采用油菜秸稈、玉米秸稈、稻殼、油菜殼、麥稈或棉花秸稈；其處理方式相同，以下以油菜殼為例進(jìn)行說明，本發(fā)明一種類蜂窩狀鋰/鈉電池負(fù)極碳電極材料的制備方法，包括以下幾個(gè)步驟：

首先，將洗滌后在60℃烘干至恒重的3g油菜殼粉碎至0.5～1mm；常溫下浸漬在50mL濃度為0.5～3mol/L的乙醇溶液中12～48h，抽濾，然后60℃干燥12～24h得到預(yù)制體，將預(yù)制體轉(zhuǎn)移到氣氛爐下，按比例向預(yù)制體中加入活化劑，活化劑可以是KOH，NaOH，ZnCl₂，K₂CO₃中的任意一種，堿與預(yù)制體的質(zhì)量比為(0.2～1)：1；在氣氛保護(hù)下按1～10℃/min的升溫速率升溫到設(shè)定溫度，如400～900℃保溫2～5h；其中保護(hù)氣體是氮?dú)狻鍤?、氦氣、氖氣中的任意一種或者兩種以上的混合氣體，氣體流速為20sccm～100sccm；再在濃度為3mol/L的鹽酸室溫下磁力攪拌6～12h洗滌，除去活化劑；最后用去離子水和乙醇依次洗滌3次，60～120℃真空干燥12～24h得到類蜂窩狀負(fù)極碳電極材料。

實(shí)施例一：

首先，將3g洗滌烘干至恒重油菜殼粉碎至0.5～1mm；浸漬在2mol/L的乙醇溶液中24h，抽濾然后60℃干燥12h轉(zhuǎn)移到氣氛爐下，按KOH:預(yù)制體＝0.2:1比例加入活化劑，在氮?dú)鈿夥?50sccm)保護(hù)下5℃/min升溫到800℃保溫2h；再放入3mol/L鹽酸中在室溫下磁力攪拌12h。最后用去離子水和乙醇洗滌3次，60℃真空干燥12h得到類蜂窩狀負(fù)極碳電極材料。

從圖1中可以看出，所制備的碳材料為類蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

從圖2中可以看出，該電極材料組裝的鋰離子電池在100mA g^-1電流密度下，容量維持在500mAh g^-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

實(shí)施例二：

首先，將3g洗滌烘干至恒重油菜殼粉碎至0.5～1mm；浸漬在0.5mol/L的乙醇溶液中48h，抽濾然后60℃干燥24h轉(zhuǎn)移到氣氛爐下，按K2CO3:預(yù)制體＝0.5:1比例加入活化劑，在氬氣氣氛(100sccm)保護(hù)下5℃/min升溫到900℃保溫5h；再放入3mol/L鹽酸中在室溫下磁力攪拌6h。最后用去離子水和乙醇洗滌3次，70℃真空干燥24h得到類蜂窩狀負(fù)極碳電極材料。

實(shí)施例三：

首先，將3g洗滌烘干至恒重油菜殼粉碎至0.5～1mm；浸漬在3mol/L的乙醇溶液中24h，抽濾然后60℃干燥24h轉(zhuǎn)移到氣氛爐下，按NaOH:預(yù)制體＝0.5:1比例加入活化劑，在氬氣氣氛(50sccm)保護(hù)下2℃/min升溫到400℃保溫5h；再放入3mol/L鹽酸中在室溫下磁力攪拌12h。最后用去離子水和乙醇洗滌3次，90℃真空干燥24h得到類蜂窩狀負(fù)極碳電極材料。

實(shí)施例四：

首先，將3g洗滌烘干至恒重油菜殼粉碎至0.5～1mm；浸漬在3mol/L的乙醇溶液中12h，抽濾然后60℃干燥24h轉(zhuǎn)移到氣氛爐下，按ZnCl2:預(yù)制體＝1:1比例加入活化劑，在氮?dú)夂秃?1:1)氣氛(20sccm)保護(hù)下10℃/min升溫到900℃保溫2h；再放入3mol/L鹽酸中在室溫下磁力攪拌6h。最后用去離子水和乙醇洗滌3次，100℃真空干燥24h得到類蜂窩狀負(fù)極碳電極材料。

實(shí)施例五：

首先，將3g洗滌烘干至恒重油菜殼粉碎；浸漬在1mol/L的乙醇溶液中36h，抽濾然后60℃干燥18h轉(zhuǎn)移到氣氛爐下，按KOH:預(yù)制體＝0.5:1比例加入活化劑，在氖氣氣氛(50sccm)保護(hù)下5℃/min升溫到600℃保溫4h；再放入3mol/L鹽酸中在室溫下磁力攪拌12h。最后用去離子水和乙醇洗滌3次，120℃真空干燥18h得到類蜂窩狀負(fù)極碳電極材料。

本發(fā)明涉及碳電極材料的制備方法及應(yīng)用，具體表現(xiàn)為涉及利用多產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品油菜籽殼制備類蜂窩狀碳電極材料的方法。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制得的材料電化學(xué)性能良好，低成本，綠色環(huán)保，可應(yīng)用于電池負(fù)極材料。本發(fā)明為以農(nóng)作物油菜籽的殼作為原料在醇的溶液中浸漬，然后再氣氛保護(hù)下加堿碳化制備電池負(fù)極類蜂窩狀碳材料，該方法制備的碳材料具有三維結(jié)構(gòu)，較大的比表面積，是一種比較理想的離子電池負(fù)極材料，且制備工藝簡(jiǎn)單，易于產(chǎn)業(yè)化。

(1)本發(fā)明是一種變廢為寶，綠色環(huán)保的方法。油菜殼作為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物來源廣泛，價(jià)格低廉。

(2)本發(fā)明制備的三維結(jié)構(gòu)碳材料結(jié)構(gòu)能夠增大了電極材料與電解液的接觸，有利于電子擴(kuò)散進(jìn)入碳層內(nèi)部，有效改善鋰離子電池的性能。

(3)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。