[发明专利]一种对小球藻生物碳纳米材料活化及调控掺杂的方法应用于钠离子电容器

说明书

一种对小球藻生物碳纳米材料活化及调控掺杂的方法应用于钠离子电容器本发明提供了一种以小球藻为原料，经过水热活化等步骤制备多孔碳材料的方法，并通过调控正负电极活性物质质量配比将其应用于钠离子电容器。该方法制得具有三维开放结构、大的比表面积的碳纳米材料。并且该碳材料中的掺杂元素也得到了调控。将该碳材料进行质量配比后组装成钠离子电容器，具有能量密度高、比容量高、稳定性好等特点。该方法具有来源丰富、低成本、方法简单的优点，获得的材料具有元素的自掺杂和结构上的自组装。并且在制备钠离子电容器的过程中不需要引入其它活性材料进行匹配，具有简单方便的应用优点。

技术领域

本发明属于电化学储能器件领域，提供了一种以小球藻为原料制备多孔碳材料以及通过硫酸水热预处理调控生物碳材料形貌及元素掺杂的方法，并将其应用于储能器件。

背景技术

随着不可再生资源的逐渐枯竭和对环境污染问题的更加重视，寻求价格低廉、环境友好的可持续的替代能源逐渐提上日程。利用生物质前驱体制备碳材料是解决能源问题的一大发展方向。生物质来源广泛更易获得、成本低廉，并且是可再生能源，对环境无污染。其中，海洋藻类储量极为丰富而利用率较低，藻类生物质具有各种自支撑的形貌结构和大量的碳含量及杂元素含量，是非常有发展前景的研究对象。此外，废弃藻类的处理一直是一个值得关注的环境问题，本发明采用藻类作为生物质原材料制备多孔碳材料，由于工艺简单有望实现大规模生产，能够在处理废弃藻类的基础上实现藻类的资源化，有利于治理海洋藻类污染。

离子电容器是一种将电池和双电层电容器结合而构成的新型混合储能器件，电容型正极和电池型负极的离子电容器在能量密度和功率密度之间表现出良好的平衡，兼具电池和双电层电容器两种器件的优良的电化学性能，具有高能量密度、高功率密度、和长循环寿命等特性。并且其可以使用同种碳材料作为两个电极，适合作为生物碳材料应用到能源领域的载体。

目前钠离子电容器器件迅速发展，探寻匹配的电极材料尤为重要。选择合适的负极材料，既能使大量的钠离子易于进入负极，又能使钠离子易于扩散，循环寿命长，没有安全隐患，这是提高钠离子电容器能量密度和功率密度的主要途径。因此，选择合适的碳电极材料是提高能量快速储存的关键。由生物质前驱体经过高温活化碳化制备的多孔碳材料具有稳定的三维结构。并且比表面积大，孔隙结构丰富。同时生物质中的大量蛋白质、纤维素等在活化中提供了大量的杂原子掺杂，使得碳材料具有良好的润湿性和导电性。在此基础上，对生物质前驱体进行合理的设计与适当的处理可以在固定生物碳材料结构的基础上改善孔隙结构，调控元素掺杂，这是生物碳材料应用于电化学器件的一大突破点。

本专利基于海洋藻类生物的独特结构，以海洋废弃藻类生物资源为原料，利用水热预处理和高温活化热解技术来对生物衍生碳材料进行结构改造和杂原子掺杂量调控，制得了具有稳定的三维形貌、适当的孔隙结构和丰富的元素掺杂的生物碳材料。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种以小球藻作为原材料制备多孔碳材料，并通过硫酸水热预处理和氢氧化钾活化将碳材料应用于钠离子电容器的方法。并将其作为钠离子电容器的正负极材料组装离子电容器储能器件。为了解决解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

首先将干燥的小球藻浸泡于硫酸溶液中，搅拌均匀并移入水热釜中进行水热预处理。洗涤干燥后通过高温碳化-活化和酸洗等工艺步骤得到多孔碳材料。将得到的碳材料与导电剂、粘结剂按照一定的比例混合涂覆在不锈钢片上，制成电极片。在氩气氛围的手套箱中将电极片与钠金属片组装成钠离子电池，在蓝电系统中进行充放电循环完成电极的钠离子预嵌。之后将预嵌完成的钠离子电池在手套箱中拆开，取出完整的电极片作为负极，将未经预嵌处理的生物碳材料作为正极，在充满氩气的手套箱内完成钠离子电容器的组装。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：