[发明专利]一种生物质片层碳材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，尤其涉及一种生物质片层碳材料的制备方法及其应用。 

技术背景

近年来，随着全球逐渐减少的不可再生能源和越来越严重的环境问题，绿色无污染的新型高能化学电源已成为世界各国竞相开发的热点。锂离子电池由于具有高能量、长寿命、低消耗、无公害、无记忆效应以及自放电小、内阻小、性价比高、污染少等优点，广泛应用于光电、信息、交通、国防军事等领域。 

锂离子电池主要由正极、负极和电解质溶液等组成，负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。由于碳材料具有电极电位低、循环效率高、循环寿命长和安全性能好等优点，而成为了目前锂离子电池商业化负极材料，并获得了广泛的应用。目前各种碳材料主要从煤、沥青、石油焦等矿物资源和合成的高分子化合物中制得，然而由于矿物资源的稀缺以及高分子化合物合成过程中对环境造成的巨大危害，使得碳材料的发展和应用受到了一定限制。 

生物质炭是由生物质（包括秸秆、枝、叶等）在缺氧条件下高温裂解、碳化而形成的碳材料，具有原料易得、价格低廉、工艺简单等优点，符合绿色化工的要求，因而近年来开始受到了人们的重视。本发明以槟榔壳为炭源制备一种生物质片层碳材料，并将其用于锂离子电池、超级电容器等领域，利于电池工业的绿色生产，具有重要的实用价值和良好的应用前景，同时将促进人类生活和大自然的良性循环，有利于生态环境的可持续发展。 

申请号为200910019348.4中国专利《一种多孔碳电极材料的制备方法》公开了一种以花生壳为原料，制得多孔碳材料的制备方法。在室温下，用0.2A/g恒电流从开路电压至0.005V之间充放电，测的首次放电容量为245 mAh/g，第二次容量衰减为45 mAh/g，容量较低、而且衰减迅速，难以用作锂离子电池负极材料。论文“High capacity disordered carbons obtained from coconut shells as anode materials for lithium batteries”( Journal of Alloys and Compounds 448 (2008) 141–147)提出了以椰子壳为原料，以KOH或ZnCl2作为致孔剂，当椰子壳/致孔剂质量比为1:5时，室温下放置5天。在氮气保护下，将样品于800℃和900℃下炭化1小时，得到碳电极材料。但是，该制备方法所用致孔剂的质量是椰子壳质量的5倍，且放置时间过长；市场上氢氧化钾的价格约为1万元/吨，成本高；且氯化锌具有刺激性和腐蚀性，长期吸入将导致支气管肺炎，严重吸入可致死，存在较大的安全隐患。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种绿色环保、安全、制备简易、成本低的生物质片层碳材料的制备方法及其应用。 

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现： 

       一种生物质片层碳材料的制备方法，采用槟榔壳作为制备原料，包括以下步骤：

S1.预处理：先用去离子水将槟榔壳洗净并剪成块状，放入1~2mol/L的碱溶液中，在70~90℃下水浴浸泡，再放入1~2mol/L的稀酸溶液中煮沸至槟榔壳完全膨松，再洗涤槟榔壳后真空干燥备用；

S2.制备生物质片层碳材料：经S1处理后的槟榔壳放入管式电阻炉中，在氮气保护下碳化1~2小时，自然冷却至室温后将所制得的碳材料加入球磨机球磨12~24小时，过300目筛，制得生物质片层碳材料。

选用可再生的槟榔壳为炭源，原料廉价、来源广泛。经过碱、酸溶液两次处理后的槟榔壳更为膨松，在高温处理时与氮气接触充分，使碳化后易形成片层结构。 

优选地，所述步骤S1中水浴浸泡9~11小时；洗涤槟榔壳是用去离子水洗涤3~5次。 

优选地，步骤S1中所述的碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。步骤S1中所述的稀酸溶液为稀盐酸或稀硫酸溶液。 

进一步地，步骤S1中真空干燥的温度为50~60℃。 

更进一步地，步骤S2中碳化温度为850~1000℃。步骤S2中碳化的升温速率为1~10℃/min。 

所述制得的生物质片层碳材料制备锂离子电池的制备方法，包括如下步骤： 

S11.制备电极片：将所述生物质片层碳材料、乙炔黑、粘接剂按质量比为85:（5~10）:（5~10）调浆涂膜，制得圆形电极片，所述粘接剂为LA132型水性粘合剂，所述圆形电极片为Φ10圆形电极片；