一种骨架多孔碳电极材料及其制备方法与流程

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种骨架多孔碳电极材料及其制备方法。

背景技术：

硬碳材料作为类石墨碳材料的一种，广泛应用于离子电池的负极材料，这主要得益于其乱层无序的结构，在宏观上具有非石墨结构，并在微观上有微观夹层的结构，为离子的嵌入和脱出提供了传输通道和储存位点[金翼,孙信,余彦等.钠离子储能电池关键材料[J].化学进展,2014,26:582-591.]。研究者发现泥煤苔，香蕉皮，柚子皮等均可用于制备碳电极，但其制备工艺较为复杂，层与层之间，颗粒与颗粒之间不规则堆积，不利于电解液的完全渗透。

油菜壳作为一种农业废弃物，含有大量的纤维素，半纤维素。但大多被随意堆放或做焚烧处理，不仅造成环境污染，大气污染以及安全问题，而且浪费了可供利用的资源。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种骨架多孔碳电极材料及其制备方法，能够有效利用植物秸秆作为原料，制得的碳电极材料利于电解液的完全渗透，电导率、离子迁移率和电荷迁移率高。

为了达到上述目的，本发明方法采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(1)将植物秸秆与醇溶液混合并进行球磨，得到植物秸秆粉；其中植物秸秆与醇溶液的比为3g：(10～30)mL；

(2)向球磨后的植物秸秆粉中加入活化剂，然后在保护气体的保护下，升温至500～1100℃并保温2～6h；

(3)将保温后的产物后处理得到骨架多孔碳电极材料。

进一步地，步骤(1)中醇溶液的浓度为0.5～3mol/L；醇溶液中的醇是甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇或乙二醇。

进一步地，步骤(1)中的球磨转速为200～300r/min。

进一步地，步骤(1)中的球磨时间为0.5～2h。

进一步地，步骤(2)中活化剂为KOH、NaOH、ZnCl₂、K₂CO₃或MgO。

进一步地，步骤(2)中植物秸秆粉在60℃真空干燥12～24h后再加入活化剂；活化剂与干燥的植物秸秆粉的质量比为(0.5～3)：1。

进一步地，步骤(2)中保护气体是氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或者任意两种以上的混合气体，保护气体的流速为20sccm～100sccm。

进一步地，步骤(2)中的升温速率为1～10℃/min。

进一步地，步骤(3)中的后处理是将保温后的产物依次用盐酸、去离子水和乙醇洗涤至中性，再真空干燥12～24h。

一种利用如上所述骨架多孔碳电极材料的制备方法制得的骨架多孔碳电极材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明采用来源广泛的植物秸秆制备骨架多孔碳电极材料，植物秸秆本身一定的三维结构，主要成分有糖类、纤维素、半纤维素和木质素等，是优良生物碳制备的前驱体，具有较大半径的有机质体可以有效增大材料的层间距，为离子的快速传输提供条件，增大材料的容量。本发明制得的材料具有多微孔结构，缩短了离子的扩散距离，有效的提高电池的倍率性能；且多微孔结构增大表面积，具有良好的吸附电解液能力，因此具有高的电导率、离子迁移率和电荷迁移率，成本低。本发明以植物秸秆等生物质为原料制备碳材料应用于电池材料的负极，具有较大的比表面积，孔径分布均匀，表现出较好的性能。生物质是一种清洁，可再生的资源，在资源和环境问题日益严重的今天，开发和利用生物质资源具有重大的战略意义。

本发明制得的骨架多孔碳可作为燃料电池、超级电容器、锂/钠离子电池等的电极材料，具有优异的倍率性能；组装的钠离子电池具有较小的充放电阻抗，对离子的转移阻力小，有利于离子快速传输，在25m A g^-1电流密度下，容量为196mAh g^-1，当电流密度回到25m A g^-1，容量恢复到182mAh g^-1。

【附图说明】

图1为本发明实施例1中制备碳材料的SEM图；

图2(a)为本发明实施例1中制备碳材料的N₂吸附脱附曲线；图2(b)为本发明实施例1中制备碳材料的孔径分布曲线；

图3为本发明实施例1中制备碳材料制备的钠离子电池的电化学性能曲线；

图4为本发明实施例1中制备碳材料制备的钠离子电池的阻抗分析。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明中植物秸秆采用油菜秸秆、玉米秸秆、稻壳、油菜壳、麦秆或棉花秸秆；其处理方式相同，以下以油菜壳为例进行说明，本发明一种骨架多孔碳电极材料的制备方法，包括以下几个步骤：

首先，将洗涤干燥剪碎至0.5～1cm的油菜壳按每3g油菜壳与10～30mL浓度为0.5～3mol/L的醇溶液混合，其中醇溶液可以是甲醇，乙醇，异丙醇，正丁醇，乙二醇中的一种；在200～300r/min的转速下球磨0.5～2h，得到油菜壳粉；在60℃真空干燥12～24h后按照活化剂与球磨后的油菜壳粉质量比为(0.5～3)：1加入活化剂，活化剂可以是KOH，NaOH，ZnCl₂，K₂CO₃，MgO中的任意一种；转移到气氛炉下，在气氛保护下按1～10℃/min的升温速率升温到设定温度，如500～1100℃保温2～6h；其中保护气体是氮气、氩气、氦气、氖气中的任意一种或者两种以上的混合气体，气体流速为20sccm～100sccm；再用浓度为1～5mol/L的盐酸室温下磁力搅拌6～12h，以洗涤除去活化剂；最后用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥12～24h得到骨架多孔碳电极材料。

实施例一：

首先，将3g洗涤干燥剪碎至0.5～1cm的油菜壳与10mL浓度为0.5mol/L的甲醇溶液混合均匀；在200r/min的转速下球磨1h，60℃真空干燥12h后，将KOH与油菜壳以质量比为1的比例混合，转移到气氛炉下，在氩气气氛(50sccm)保护下以5℃/min升温到800℃保温2h；再用3mol/L的盐酸在常温下搅拌6h；最后用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥24h得到骨架多孔碳电极材料。

从图1中可以看出，所制备的碳材料为多孔的骨架结构。

从图2(a)中可以看出，所制备的骨架多孔碳材料具有较大的比表面积，从图2(b)看出，孔径分布均匀。

从图3中可以看出，该碳电极材料组装的钠离子电池具有优异的倍率性能。在25,50,100,200 500,1000,2000和5000m A g^-1电流密度下，容量为196,161,126,110,92,78,62and 32mAhg^-1，当电流密度回到25m A g^-1，容量恢复到182mAh g^-1。

从图4中可以看出，该碳电极材料组装的钠离子电池具有较小的充放电阻抗，对离子的转移阻力小，有利于离子快速传输。

实施例二：

首先，将3g洗涤干燥剪碎后的油菜壳与15mL浓度为1mol/L的乙醇溶液混合均匀；在200r/min的转速下球磨2h，60℃真空干燥24h后，将KOH与油菜壳以质量比为0.5的比例混合，转移到气氛炉下，在氮气气氛(20sccm)保护下以2℃/min升温到500℃保温6h；再用5mol/L的盐酸在常温下搅拌6h；最后用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥24h得到骨架多孔碳电极材料。

实施例三：

首先，将3g洗涤干燥剪碎后的油菜壳与20mL浓度为0.5mol/L的异丙醇溶液混合均匀；在300r/min的转速下球磨0.5h，60℃真空干燥24h后，将KOH与油菜壳以质量比为3的比例混合，转移到气氛炉下，在氩气气氛(100sccm)保护下以10℃/min升温到1000℃保温2h；再用2mol/L的盐酸在常温下搅拌12h；最后用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥12h得到骨架多孔碳电极材料。

实施例四：

首先，将3g洗涤干燥剪碎后的油菜壳与25mL浓度为3mol/L的正丁醇溶液混合均匀；在200r/min的转速下球磨0.5h，60℃真空干燥24h后，将K₂CO₃与油菜壳以质量比为3的比例混合，转移到气氛炉下，在氖气气氛(20sccm)保护下以4℃/min升温到900℃保温4h；再用2mol/L的盐酸在常温下搅拌12h；最后用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥12h得到骨架多孔碳电极材料。

实施例五：

首先，将3g洗涤干燥剪碎后的油菜壳与30mL浓度为3mol/L的乙二醇溶液混合均匀；在200r/min的转速下球磨2h，60℃真空干燥18h后，将活化剂(KOH:K₂CO₃＝1)与油菜壳以1的比例混合，转移到气氛炉下，在氩气气氛(100sccm)保护下以10℃/min升温到900℃保温5h；再用1mol/L的盐酸在常温下搅拌8h；最后用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥15h得到骨架多孔碳电极材料。

本发明是利用丰富的农业副产物生物质油菜壳等制备的骨架多孔碳电极材料，该骨架多孔碳可作为燃料电池、超级电容器、锂/钠离子电池等的电极材料。由于该材料具有多微孔结构，大的表面积和良好的吸附电解液能力，因此具有高的电导率、离子迁移率和电荷迁移率,而且成本低很多。是一种有前景的适于性的电极材料。本发明还具有以下优点：

(1)本发明的原料油菜壳来源广泛，价格低廉，绿色环保。油菜壳本身含有的杂质元素较少，除杂工艺简单。

(2)本发明的制备工艺简单，易操作，适用于大规模生产。

(3)本发明制备的骨架多孔碳材料结构缩短了离子的扩散距离，有效的提高电池的倍率性能。

(4)本发明中湿磨使有机溶剂快速的进入到材料内部，溶解材料中的可溶性物质，保证材料的多孔结构。