[发明专利]一种氮氧共掺杂生物质硬碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氮氧共掺杂生物质硬碳材料，包括碳元素、氮元素、氧元素、钙元素，上述四种元素的总量为100wt％计，碳元素占92‑95％，氮元素占0.75‑2.10％，氧元素占4.0‑6.1％，钙元素占0.25‑0.80％。制备方法包括：将生物质材料洗净烘干，粉碎机粉碎，振动筛过筛，得生物质材料粉末置于管式炉中，在惰性气氛下进行烧结碳化，然后随炉冷却得最终产物。本发明合理利用生物质废料，制备方法简单、成本低廉，该材料有利于钾离子的可逆脱嵌，从而获得优异的电化学性能，将本发明制备的氮氧共掺杂生物质硬碳材料应用于制备的钾离子电池和钾离子混合电容器中，具有比容量高、倍率性能好、循环性能稳定的优点。

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，涉及一种氮氧共掺杂生物质硬碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、电压高、使用寿命长等优势，商业化应用以来已经成功地占据了便携式电子产品市场，并不断地拓展到电动汽车和大规模储能领域，这种快速发展的趋势令储量有限，分布不均的锂矿资源价格飙升，极大限制了锂离子电池的进一步发展，因此，人们致力于发展储量丰富、价格低廉，与锂具有相似物化特性的钾离子电池。混合离子电容器(HICs)作为电池和电容器的交叉产物，结合了两者的优势，具有高能量、高功率、高密度和长寿命的特性，有望在大规模储能应用中大显身手。

目前，对钾离子电池和钾离子混合电容器的研究尚处于初级阶段，对于实际应用还存在很大的挑战，实现高性能的钾离子电池和钾离子混合电容器急需找到一种具有快速钾离子嵌入/脱嵌的负极材料。在已经报道的钾离子电池和钾离子混合电容器的电极材料中，生物质衍生的硬碳材料是最具应用前景的一类负极材料。

但是，硬碳材料存在慢的电荷传输动力学和稳定性较差的内部结构，使其导电性和储钾稳定性都受到了严重的制约，异质原子的引入可以增加硬碳材料的储能活性位点，改善其电荷传输能力，为获得满足应用要求的硬碳材料，现有技术大多数采用外加氮源以及复杂的合成工艺，成本高，耗时耗力，不利于大规模应用。

因此，研发一种工艺简单、成本低廉的高性能生物质硬碳材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于钾离子电池和钾离子混合电容器的氮氧共掺杂生物质硬碳材料及其制备方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种氮氧共掺杂生物质硬碳材料，包括碳元素、氮元素、氧元素、钙元素，以上述四种元素的总量为100wt％计，碳元素占92-95％，氮元素占0.75-2.10％，氧元素占4.0-6.1％，钙元素占0.25-0.80％。

本发明的有益效果是：本发明的制备方法具有工艺简单、成本低廉、适合工业生产等优点，制得的氮氧共掺杂生物质硬碳材料的储钾容量高，循环性能和倍率性能优异。硬碳材料具有丰富的纳米级孔道结构，有利于钾离子在材料中的可逆电化学脱嵌，提升材料的储钾循环性能和倍率性能。同时，氮氧共掺杂可以增加材料的电化学活性位点和扩宽层间距，有效提高硬碳材料优异的储钾性能，从而实现高性能的钾离子电池和混合电容器。

本发明还提供了一种氮氧共掺杂生物质硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将生物质材料洗净，60-120℃真空烘干5-24h，粉碎机粉碎，振动筛过筛，得生物质材料粉末；

(2)取步骤(1)所得生物质材料粉末置于管式炉中，在保护气体下进行烧结碳化，然后随炉冷却至60℃以下，得氮氧共掺杂生物质硬碳材料。

进一步,上述生物质材料为芒果核壳、百香果皮、柿子粉中的任一种。

采用上述进一步技术方案的有益效果：本发明制备得的氧氮共掺生物质硬碳材料的宏观形貌呈微纳米棒状或无规则颗粒状结构，提供短的钾离子的扩散和迁移距离，有效提升材料的电化学性能。

进一步,步骤(1)过筛目数为300-1000目。