一種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法
【專利摘要】一種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法，利用木耳作為生物質碳的原料通過微波水熱法結合熱處理法制備三維分級多孔生物質碳，其用做鋰離子電池負極材料，具有良好的循環穩定性和倍率性能，所用木耳含有豐富的多糖，使得生物質碳化的產率較高，細胞壁中含有豐富的甲殼素可以形成穩定的碳骨架使得材料在充放電過程中結構穩定不易坍塌，同時可以通過控制堿的濃度來控制孔徑的大小，從而提升材料的電化學性能。
【專利說明】
一種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于鋰離子電池負極材料制備技術領域，具體涉及一種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法。【背景技術】
[0002]鋰離子電池由于具有高電壓(4V)、高能量密度、自放電小、循環壽命長、無污染和無記憶效應等優點，已廣泛應用于移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等電器設備上。在電動汽車、衛星、航天航空以及空間軍事等領域也顯示出了良好的應用前景和潛在的經濟效益。目前商業化應用的鋰離子電池負極材料為石墨，石墨具有成本低，導電性好，物理化學性質穩定，循環壽命長等優點，但是石墨負極在鋰離子電池中表現出可逆循環容量低，不易快速充放電，而且過充過放電能力差等缺點使得石墨難以滿足發展的需求。生物質碳是一種由生物質經過碳化和活化后得到的一種具有反應活性的碳材料，由于生物質來源廣泛成本低廉，近年來生物質碳成為人們研究的熱點。日常生活中我們所食用的木耳是一種真菌生物，通常被應用于食品和醫藥領域[Haiyan Wang，Dayong Ren，Zhengju Zhu，et.al.Few-layer MoS2 nanosheets incorporated into hierarchical porous carbon for lithium-1on batteries[J].Chemical Engineering Journal 2016，288:179-184.]〇由于木耳生長速率快，細胞內有豐富的甲殼素，吸水后體積可以膨脹，這些特點使得它成為生物質碳的理想前驅體。[00〇3]目前，生物質碳化的主要方法有水熱法和熱解法Jun Zhang等[Jun Zhang， Jiayuan Xiang, Zimin Dong ,Ya Liu ,Yishan ffu,Chunmei Xu,Gaohui Du.B1mass derived activated carbon with 3D connected architecture forrechargeable lithium-sulfur batteries[J].2014,116:146-151.]以柚子皮為原料通過兩步熱解法制備了三維活性碳材料。Xinliang Yu等[Xinliang Yu，Kaiyou Zhang,Ning Tian,Aimiao Qin，Lei Liao,Rui Du,Chun We1.B1mass carbon derived from sisal fiber as anode material for lithium-1on batteries[J].MaterialsLetters，2015，142:193-196 ?]以劍麻為原料通過一步熱處理得到了纖維狀生物質碳feng Chen等[Feng Chen Juan Yang， Tao Bai，Bo Long,Xiangyang Zhou.B1mass waste-derived honeycomb-like nitrogen and oxygen dual-doped porous carbon for high performance lithium-sulfur batteries[J].Electrochimica Acta 2016,192:99-109.]通過兩步熱解法處理黃豆渣得到了蜂巢狀多孔碳。這些方法制備的生物質碳制備過程相對復雜，用時較長。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于利用木耳作為生物質碳的原料通過微波水熱法結合熱處理法制備三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料，并用做鋰離子電池負極材料，具有良好的循環穩定性和倍率性能。
[0005]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0006]—種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法，
[0007]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；
[0008]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為15?40 %的硫酸溶液A;[〇〇〇9] 步驟三:取1?3g木耳顆粒放入60?70ml溶液A中，磁力攪拌10?30min，轉移入反應釜并密封，設置微波水熱反應溫度為120?180 °C，反應3?6h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B;[〇〇1〇]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；[〇〇11] 步驟五:取0.2?0.3g干燥好的前驅物B放入70?100ml的0.1?0.3M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌12?18h，然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;
[0012]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為700?900 °C，保溫1?3h，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。
[0013]本發明所利用的木耳含有豐富的多糖，使得生物質碳化的產率較高，細胞壁中含有豐富的甲殼素可以形成穩定的碳骨架使得材料在充放電過程中結構穩定不易坍塌，同時可以通過控制堿的濃度來控制孔徑的大小從而提升材料的電化學性能。【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例1制備的三維分級多孔生物質碳在不同倍率下的掃描電鏡 (SEM)照片。【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖及實施實例對本發明作進一步詳細說明。
[0016]實施例1: 一種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法，
[0017]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；
[0018]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為15 %的硫酸溶液A;[〇〇19] 步驟三:取lg木耳顆粒放入60ml溶液A中，磁力攪拌lOmin，轉移入反應釜并密封， 設置微波水熱反應溫度為120°C，反應3h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B;
[0020]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；
[0021]步驟五:取0.2g干燥好的前驅物B放入70ml的0.1M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌12h， 然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;[〇〇22]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為700°C，保溫2h，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。[〇〇23]由圖1可以看出，木耳生物質碳呈三維多孔的結構。[〇〇24]實施例2:—種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法，
[0025]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；[〇〇26]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為20 %的硫酸溶液A;
[0027]步驟三:取2g木耳顆粒放入65ml溶液A中，磁力攪拌15min，轉移入反應釜并密封， 設置微波水熱反應溫度為140°C，反應4h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B;
[0028]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；[〇〇29]步驟五:取0.3g干燥好的前驅物B放入100ml的0.15M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌 14h，然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;
[0030]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為800°C，保溫2h，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。[〇〇31] 實施例3:
[0032]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；[〇〇33]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為25 %的硫酸溶液A;[〇〇34] 步驟三:取3g木耳顆粒放入70ml溶液A中，磁力攪拌20min，轉移入反應釜并密封， 設置微波水熱反應溫度為160°C，反應5h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B;
[0035]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；[〇〇36]步驟五:取0.25g干燥好的前驅物B放入85ml的0.2M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌 16h，然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;[〇〇37]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為900°C，保溫lh，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。[〇〇38] 實施例4:
[0039]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；
[0040]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為30 %的硫酸溶液A;[〇〇411 步驟三:取1.5g木耳顆粒放入63ml溶液A中，磁力攪拌30min，轉移入反應釜并密封，設置微波水熱反應溫度為180°C，反應3h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B;
[0042]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；[〇〇43]步驟五:取0.23g干燥好的前驅物B放入80ml的0.3M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌 18h，然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;
[0044]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為850°C，保溫lh，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。
[0045]實施例5:
[0046]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；[〇〇47]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為40 %的硫酸溶液A;[〇〇48] 步驟三:取2.5g木耳顆粒放入68ml溶液A中，磁力攪拌25min，轉移入反應釜并密封，設置微波水熱反應溫度為150°C，反應5h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B;
[0049]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；
[0050]步驟五:取0.28g干燥好的前驅物B放入90ml的0.3M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌 15h，然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;
[0051]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為750°C，保溫3h，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。[〇〇52] 實施例6:[〇〇53]步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得到顆粒大小均一的木耳顆粒；[〇〇54]步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為35 %的硫酸溶液A;
[0055]步驟三:3g木耳顆粒放入70ml溶液A中，磁力攪拌lOmin，轉移入反應釜并密封，設置微波水熱反應溫度為130°C，反應6h，自然冷卻到室溫得到前驅物B;
[0056]步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；[〇〇57]步驟五:取0.2g干燥好的前驅物B放入80ml的0.1M氫氧化鉀溶液中，磁力攪拌13h， 然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物C;[〇〇58]步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為800°C，保溫2h，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。
【主權項】
1.一種三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料的制備方法，其特征在于:步驟一:將木耳用去離子水清洗并干燥，對干燥后的木耳進行研磨過50目的尼龍篩，得 到顆粒大小均一的木耳顆粒；步驟二:用98 %的濃硫酸配置質量分數為15?40 %的硫酸溶液A;步驟三:取1?3g木耳顆粒放入60?70ml溶液A中，磁力攪拌10?30min，轉移入反應釜 并密封，設置微波水熱反應溫度為120?180°C，反應3?6h，自然冷卻到室溫，得到前驅物B; 步驟四:將前驅物B離心并用氫氧化鉀溶液和去離子水洗滌，然后干燥；步驟五:取0.2?0.3g干燥好的前驅物B放入70?100ml的0.1?0.3M氫氧化鉀溶液中， 磁力攪拌12?18h，然后真空抽濾后用鹽酸溶液和去離子水洗滌，干燥得到活化后的前驅物 C；步驟六:將活化好的前驅物C放入管式爐內，通入氬氣，設置保溫溫度為700?900°C，保 溫1?3h，反應完成后得到三維分級多孔生物質碳鋰離子電池負極材料。
【文檔編號】H01M4/587GK106082158SQ201610377908
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】李嘉胤, 康倩, 曹麗云, 程婭伊, 齊慧, 歐陽海波, 許占位, 黃劍鋒
【申請人】陜西科技大學