本發(fā)明涉及一種利用小麥秸稈制備鈉離子電池電極材料的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)化石能源一方面隨著其開采量的不斷增加而造成總儲(chǔ)量的不斷下降，另一方面在使用過(guò)程中造成的壞境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重，因此必須開發(fā)新型清潔能源來(lái)滿足人類發(fā)展的需求。自1990年鋰離子電池得以推廣起，該儲(chǔ)能裝置便因其具有高容量密度、功率密度、可循環(huán)使用及對(duì)環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了大范圍應(yīng)用。目前鋰資源分布的不均勻及高價(jià)位成為限制鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，而和鋰處于同一主族的鈉被認(rèn)為是最好的替代資源。鈉和鋰的化學(xué)性質(zhì)相似，并且鈉的儲(chǔ)量豐富，由此可知開發(fā)和設(shè)計(jì)高性能鈉離子電池成為未來(lái)研究的重中之重。
在眾多電極材料中碳材料由于自身具有較高的導(dǎo)電性，形貌及結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)，且穩(wěn)定性極強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)成為熱門的電極材料之一。以生物廢棄物為原料制備碳材料且將其應(yīng)用在二次電池體系上的研究，近年來(lái)剛剛興起且大多數(shù)工作集中在鋰離子電池上。由生物廢棄物制備的碳材料多為硬碳，傳統(tǒng)方法制備的碳材料組裝成鈉離子電池后通常倍率性能和循環(huán)性能不盡理想。提高碳材料儲(chǔ)鈉性能的最有效方法為增加材料的缺陷和制備多孔材料兩種：材料表面的缺陷可幫助儲(chǔ)存鈉離子并且增加表面的贗電容行為來(lái)提高整體的容量，而多孔結(jié)構(gòu)則可促進(jìn)活性材料和電解液的充分接觸保證材料具有較好的倍率性能。
小麥?zhǔn)且环N重要的糧食作物，在全世界范圍內(nèi)都大量種植。但是種植小麥所產(chǎn)生的小麥秸稈的處理問(wèn)題一直困擾著人們。目前人們處理小麥秸稈的一般方法為焚燒和掩埋兩種方式，這些方式不僅造成資源的浪費(fèi)同時(shí)還在一定程度上對(duì)環(huán)境造成破壞。尋找合適的方法將小麥秸稈轉(zhuǎn)變?yōu)榭商峁┠芰康拟c離子電池電極材料為我們同時(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染提供了很好的方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供利用一種利用小麥秸稈制備鈉離子電池電極材料的方法，實(shí)現(xiàn)將廢棄小麥秸稈轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝阅茆c離子電池電極材料，需要的主要步驟如下：
步驟一：將收集的廢棄小麥秸稈分別用水和乙醇進(jìn)行清洗，反復(fù)進(jìn)行4次，每次清洗時(shí)間為30min，隨后在80℃下鼓風(fēng)干燥12h，獲得干凈干燥的小麥秸稈，攪碎放入殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液中浸泡48小時(shí)，然后80℃下鼓風(fēng)干燥12h，得到改性小麥秸稈，
步驟二：將改性小麥秸稈在一氧化碳與氮?dú)饣旌蠚怏w中煅燒1小時(shí)，溫度900℃，自然冷卻后收集產(chǎn)物。
步驟三：所得材料經(jīng)高能球磨細(xì)化后，過(guò)200目篩子，待用。
步驟四：將步驟三產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到高能球磨機(jī)中，高能球磨細(xì)化，產(chǎn)物過(guò)100-200目篩子，得到的固體粉末為待用的鈉離子電池電極材料。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用小麥秸稈制備鈉離子電池電極材料的方法，其特征在于，步驟一清洗之前應(yīng)將產(chǎn)物進(jìn)行細(xì)化處理，清洗時(shí)蒸餾水/乙醇溶液和小麥秸稈的質(zhì)量比為50:1，時(shí)間為10-30min，清洗過(guò)程反復(fù)3-5次。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用小麥秸稈制備鈉離子電池電極材料的方法，其特征在于，殼聚糖-zn-硅微粉材料制備方法如下：將硅微粉分散于水中，室溫下攪拌5h，靜置8h后取上清液；
步驟2、將殼聚糖溶于3份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加熱處理1h;
步驟3、將上述處理好的殼聚糖醋酸溶液以每分鐘30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，繼續(xù)60℃水浴下攪拌反應(yīng)5h;
步驟4、然后離心并用純水洗，最后在真空箱下震蕩重新分散在200ml超純水中，得殼聚糖-硅微粉；
步驟5、將鋅粉進(jìn)行熱堿處理：將錳粉首先在熱空氣下處理1h出掃雜質(zhì)，然后在轉(zhuǎn)移到10份的naoh溶液里浸泡1h;
步驟6、然后將熱堿處理過(guò)的鋅粉加入到溶液里室溫下攪拌1h;
步驟7、將上述溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜里，然后滴加鈦酸酯偶聯(lián)劑，在氮?dú)夥諊?60℃，0.5kpa下反應(yīng)2h;
步驟8、將處理好的鋅溶液加入到上述溶液，得到殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液，
4根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用小麥秸稈制備鈉離子電池電極材料的方法，其特征在于，步驟五中利用高能球磨將材料進(jìn)行細(xì)化，球磨時(shí)控制磨球和產(chǎn)物的質(zhì)量比為50:1，轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)每分鐘，球磨時(shí)間為1h，經(jīng)高能球磨后產(chǎn)物顆粒更均勻，隨后的過(guò)篩處理使最后產(chǎn)物更利于組裝電池。
5根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用小麥秸稈制備鈉離子電池電極材料的方法，其特征在于，所述的步驟二中，氮?dú)馀c二氧化碳體積比為2-5:1。
本發(fā)明包括以下有益效果：本發(fā)明將廢棄小麥秸稈轉(zhuǎn)變?yōu)殁c離子電池電極材料的制備方法簡(jiǎn)單，原料成本低廉，可重復(fù)性好，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)還可得到儲(chǔ)存能量的高性能鈉離子電池。本方法通過(guò)將秸稈浸泡在殼聚糖-zn-硅微粉材料溶液中改性處理，大大提高了煅燒后秸稈的活性，使得制備得到的碳材料具有較多缺陷的同時(shí)保持了其多孔的特性，這一特性有利于提高所組裝的鈉離子電池的儲(chǔ)鈉容量，增強(qiáng)電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該方法將廢棄小麥秸稈轉(zhuǎn)變而成的鈉離子電池電極材料組裝成的電池在1000ma/g電流密度下經(jīng)1000周循環(huán)后仍能保持200mah/g的電容量。
附圖說(shuō)明
圖1是實(shí)施例1中小麥秸稈制備的電極材料的tem圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1：
步驟一：將收集的廢棄小麥秸稈分別用水和乙醇進(jìn)行清洗，反復(fù)進(jìn)行4次，每次清洗時(shí)間為30min，隨后在80℃下鼓風(fēng)干燥12h，獲得干凈干燥的小麥秸稈，攪碎放入殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液中浸泡48小時(shí)，然后80℃下鼓風(fēng)干燥12h，得到改性小麥秸稈，
步驟二：將改性小麥秸稈在一氧化碳與氮?dú)饣旌蠚怏w中煅燒1小時(shí)，氮?dú)馀c二氧化碳體積比為3:1，溫度900℃，自然冷卻后收集產(chǎn)物。
步驟三：所得材料經(jīng)高能球磨細(xì)化后，過(guò)200目篩子，待用，
步驟四：將步驟三產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到高能球磨機(jī)中，高能球磨細(xì)化，產(chǎn)物過(guò)100-200目篩子，得到的固體粉末為待用的鈉離子電池電極材料。
上述殼聚糖-zn-硅微粉材料制備方法如下：
將硅微粉分散于水中，室溫下攪拌5h，靜置8h后取上清液；
步驟2、將殼聚糖溶于2份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加熱處理1h;
步驟3、將上述處理好的殼聚糖醋酸溶液以每分鐘30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，繼續(xù)60℃水浴下攪拌反應(yīng)5h;
步驟4、然后離心并用純水洗，最后在真空箱下震蕩重新分散在200ml超純水中，得殼聚糖-硅微粉；
步驟5、將鋅粉進(jìn)行熱堿處理：將錳粉首先在熱空氣下處理1h出掃雜質(zhì)，然后在轉(zhuǎn)移到10份的naoh溶液里浸泡1h;
步驟6、然后將熱堿處理過(guò)的鋅粉加入到溶液里室溫下攪拌1h;
步驟7、將上述溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜里，然后滴加鈦酸酯偶聯(lián)劑，在氮?dú)夥諊?60℃，0.5kpa下反應(yīng)2h;
步驟8、將處理好的鋅溶液加入到上述溶液，得到殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液。
組裝鈉離子電池電極材料，其中電解液采用碳酸乙烯：碳酸二乙酯（體積比為1:1）+5%氟代碳酸乙烯酯。
組裝的鈉離子電池，測(cè)試結(jié)果為：100ma/g的電流密度下容量保持在451mah/g，且在1000ma/g的電流密度下經(jīng)過(guò)1000周循環(huán)后依然保持在325mah/g。以上表明該方法制備的電池電極材料具有優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能。tem圖證實(shí)該材料的顆粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化且分布均勻。材料的孔分布更加均一。介孔的均勻分布有利于電解液和電極材料的充分接觸，且細(xì)小的顆粒尺寸能增強(qiáng)電池的倍率性能。
對(duì)比例1：
制備工藝與實(shí)施例1相同，不同在于，步驟一中，小麥秸稈不經(jīng)過(guò)殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液的改性處理。
組裝的鈉離子電池，測(cè)試結(jié)果為：100ma/g的電流密度下容量在251mah/g，且在1000ma/g的電流密度下經(jīng)過(guò)1000周循環(huán)后保持在205mah/g。
對(duì)比例2：
制備工藝與實(shí)施例1相同，不同在于，步驟一中，小麥秸稈在殼聚糖-硅微粉改性溶液中浸泡，其殼聚糖-硅微粉改性溶液制備方法，將硅微粉分散于水中，室溫下攪拌5h，靜置8h后取上清液；
步驟2、將殼聚糖溶于2份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加熱處理1h;
步驟3、將上述處理好的殼聚糖醋酸溶液以每分鐘30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，繼續(xù)60℃水浴下攪拌反應(yīng)5h;
步驟4、然后離心并用純水洗，最后在真空箱下震蕩重新分散在200ml超純水中，得殼聚糖-硅微粉，
組裝的鈉離子電池，測(cè)試結(jié)果為：100ma/g的電流密度下容量在275mah/g，且在1000ma/g的電流密度下經(jīng)過(guò)1000周循環(huán)后保持在221mah/g。
對(duì)比例3：
制備工藝與實(shí)施例1相同，不同在于，步驟二中，氮?dú)馀c二氧化碳體積比為1:1。
組裝的鈉離子電池，測(cè)試結(jié)果為：100ma/g的電流密度下容量在247mah/g，且在1000ma/g的電流密度下經(jīng)過(guò)1000周循環(huán)后保持在212mah/g。
對(duì)比例4：
制備工藝與實(shí)施例1相同，不同在于，步驟二中，氮?dú)馀c二氧化碳體積比為1:3。
組裝的鈉離子電池，測(cè)試結(jié)果為：100ma/g的電流密度下容量在217mah/g，且在1000ma/g的電流密度下經(jīng)過(guò)1000周循環(huán)后保持在192mah/g。
對(duì)比例5：
制備工藝與實(shí)施例1相同，不同在于，步驟一中，殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液制備方法不同，其制備方法如下：將硅微粉分散于水中，室溫下攪拌5h，靜置8h后取上清液；
步驟2、將殼聚糖溶于2份(v/w)醋酸溶液中60℃水浴加熱處理1h;
步驟3、將上述處理好的殼聚糖醋酸溶液以每分鐘30滴的速度逐滴加入到硅微粉上清液中，繼續(xù)60℃水浴下攪拌反應(yīng)5h;
步驟4、然后離心并用純水洗，最后在真空箱下震蕩重新分散在200ml超純水中，得殼聚糖-硅微粉；
步驟5、將上述溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜里，然后滴加鈦酸酯偶聯(lián)劑，在氮?dú)夥諊?60℃，0.5kpa下反應(yīng)2h;
步驟6、將普通鋅溶液加入到上述溶液，得到殼聚糖-zn-硅微粉改性溶液。
組裝鈉離子電池電極材料，其中電解液采用碳酸乙烯：碳酸二乙酯（體積比為1:1）+5%氟代碳酸乙烯酯。
組裝的鈉離子電池，測(cè)試結(jié)果為：100ma/g的電流密度下容量保持在241mah/g，且在1000ma/g的電流密度下經(jīng)過(guò)1000周循環(huán)后依然保持在227mah/g。
實(shí)施例和對(duì)比例表明，殼聚糖-zn-硅微粉改性對(duì)于制備以小麥為原料的鈉離子電極材料有著很重要的影響。