[发明专利]一种制备生物质碳锂离子电池负极材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备生物质碳锂离子电池负极材料的方法，涉及新能源领域，包括如下步骤：(1)酸浸处理、(2)一次加热退火处理、(3)粉碎浸泡处理、(4)二次加热退火处理、(5)氮掺杂花生壳碳材料制备、(6)成品电极制备。本发明方法具有时间短、效率高、成本低、无污染等优点。与传统的两步法相比，本发明可一步实现生物质碳材料的制备，制得的氮掺杂花生壳碳具有大的比表面积以及多孔结构。

技术领域

本发明涉及新能源领域，具体涉及一种制备生物质碳锂离子电池负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池(LIBs)具有高的存储容量和良好的稳定性，被广泛认为是一种有前途的便携式电子设备电源。由于石墨的理论容量(372mAh·g^-1)较低，质量密度较小，无法满足快速发展市场日益增长的需求。近年来，研究者发现氮掺杂碳材料作为锂离子电池的负极材料，具有较高的锂储存容量和优良的倍率性能。锂储存容量的提高可能归因于sp^2-杂化碳骨架中掺杂的杂原子，这有利于在放电/充电过程中吸附锂离子。例如，Wang等人报道的含氮量为3.9％的碳材料可使锂的储存容量提高到600

mAh·g^-1，高于纯石墨烯。迄今为止，氮掺杂碳材料的制备方法是把碳材料与富氮前体(如三聚氰胺和NH₃)一起热处理。然而，这些制备氮掺杂碳材料的方法往往存在成本高、收率低、含氮量低等缺点。这在很大程度上限制了其在大规模制备氮掺杂碳材料的广泛应用。因此，近年来，掺杂碳材料的研究已从昂贵、危险的无机和有机化学品转向以可再生生物质为氮和碳的前体，主要是出于绿色可持续性发展的考虑。生物质是一种可利用的自然资源，具有广泛的多样性和结构多样性。此外，生物质富含氮、硫、磷和碳，可作为掺杂氮原子的碳材料的前驱体。此外，由于其成本低、资源丰富、再生速度快、环境友好等优点，生物质基杂原子掺杂碳材料在LIBs阳极材料中受到了广泛的关注。近年来，生物质如樱桃核、海藻酸、橄榄、红树林木炭、稻壳和人发等，已被研究用于制备多孔碳材料作为锂离子电池阳极材料。然而，生物质衍生碳材料的工艺包含关键步骤，随后是各种活化程序

(通过KOH、NaOH、ZnCl₂、CO₂等进行化学活化或物理活化)。例如，米特林的研究小组用蛋清衍生蛋白的模板方法来合成富含氮的碳材料。肖等人利用麦秸炭化活化合成多孔氮掺杂炭材料。这些合成过程既复杂又昂贵，而且生物质碳材料在较高电流密度下通常表现出低的锂储存容量。例如，蚕豆碳在372mA·g^-1的电流密度下的比容量为261.5mAh·g^-1。因此，通过生物质的直接碳化对于制备高性能LIBs氮掺杂碳材料至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备生物质碳锂离子电池负极材料的方法，采用高铁酸钾(K₂FeO₄)对花生壳进行同步炭化和石墨化，随后利用多巴胺作为氮源制备氮掺杂花生壳碳材料。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

一种制备生物质碳锂离子电池负极材料的方法，包括如下步骤：

(1)酸浸处理：

先将花生壳用去离子水反复冲洗除去杂质，然后浸入到硫酸溶液中24h，取出后清洗并在鼓风干燥箱中干燥8～10h后得到预处理的花生壳样品备用；

(2)一次加热退火处理：

将步骤(1)预处理后的花生壳样品置于管式炉中，并在氩气氛围中加热至400℃且保温2h；

(3)粉碎浸泡处理：

对步骤(2)处理后的花生壳样品进行研磨获得花生壳炭粉，然后再将此花生壳炭粉浸入到高铁酸钾水溶液中，连续搅拌处理8h后，再置于100℃条件下干燥处理8～10h，完成后得固体混合物备用；