CN106602065B - 一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法 - Google Patents

一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，首先野外摘取小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；其次将获得的小蓟干叶与多糖混合后放入稀酸中，然后再加入H2O2溶液，搅拌后进行水热反应，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤，然后真空干燥处理，获得水热预处理碳材料；最后将水热预处理碳材料在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧结束后冷却至室温即可。本发明以价格低廉的小蓟草、多糖为原料，通过简单的水热碳化及高温碳化工艺，制得具有优异的电化学性能，可以当作钠电负极材料使用的碳材料。

Description

一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法
技术领域
本发明涉及钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种三维螺旋状钠离子电池碳电极材料的制备方法。
背景技术
在众多二次电池中，因其具备能量密度高、功率密度大、倍率性能好和便携性等优点，锂离子电池发展迅速，在很多领域被广泛应用。与此同时，锂矿在地球上储量有限，并且分布不均匀，导致其应用受限。研究开发新的二次电池体系势在必行，与锂元素同主族的钠元素的储量丰富，成本低廉，因此发展室温钠离子电池来代替锂离子电池是未来二次储能电池的趋势。
然而，钠离子比锂离子要大55％左右，钠离子在相同结构材料中的嵌入和扩散往往都相对困难，同时嵌入后材料的结构变化会更大，因而电极材料的比容量、动力学性能和循环性能等都相应地变差。如，石墨在锂离子电池中是优良的负极材料，而钠离子却难以嵌入到石墨层中，有研究表明，只有当其层间距增大到0.37nm以上时，钠离子才能有效地实现可逆的嵌入钠离子。而硬碳是一种无序的、石墨化程度较低、层间距较大性能较佳的碳基材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明以价格低廉的小蓟草、多糖、高分子为原料，通过简单的水热碳化及高温碳化工艺，制得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料，且具有优异的电化学性能，可以当作钠电负极材料使用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)野外摘取小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将获得的小蓟干叶与多糖混合后放入浓度为1-3mol/L的稀酸中，其中小蓟干叶与多糖的质量比为1：(0.1-1)，且每40mL稀酸中加入2-3g小蓟干叶，然后再加入质量分数为10％-30％的H2O2溶液，其中每40mL稀酸中加入8-10mLH2O2溶液，搅拌后进行水热反应，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤，然后真空干燥处理，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
进一步地，步骤2)中多糖是葡萄糖、壳聚糖、果糖、麦芽糖、蔗糖或淀粉中的任意一种。
进一步地，步骤2)的稀酸是盐酸、磷酸、硝酸、硫酸中的任意一种。
进一步地，步骤2)中水热反应温度为120-220℃，反应时间6-48h。
进一步地，步骤2)中采用水和乙醇分别洗涤3次。
进一步地，步骤2)中真空干燥处理为在80℃温度下，真空干燥6h。
进一步地，步骤3)中惰性气氛为Ar或N2气氛。
进一步地，步骤3)中煅烧处理是以2-10℃/min的升温速率进行升温，升温至500-800℃后煅烧2-12h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的制备方法具有操作简便易行，可重复性强，成本低，环境经济效益高的特点。利用本方法制备的生物炭作为室温钠离子电池的负极材料，能够克服低维碳材料电池容量低、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、电池容量高的特点。本方法具有操作简单、可重复性高、成本低廉的特点。
进一步地，通过控制反应条件，采用水热反应预处理，随后高温退火碳化的方式得到生物炭材料。在水热预处理阶段，小蓟草叶自身碳化且保持原有的片状，而且提供的活性位点使得多糖形成的碳微球沉积到其片上，自组装的三维碳材料。同时糖避免了直接碳化煅烧的急剧交联过程。经过随后的高温煅烧后形成约80nm的碳颗粒。颗粒尺寸变小，能够增大比表面积，从而增大和电解液的接触，进一步提高电池容量和循环稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的自组装三维生物炭碳材料的SEM图；
图2是本发明实施例1中制备的自组装三维生物炭碳材料的环性能图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，包括以下步骤：
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将获得的小蓟干叶与多糖(葡萄糖、壳聚糖、果糖、麦芽糖、蔗糖或淀粉中的一种)混合后放入浓度为1-3mol/L的稀酸中，其中，稀酸是盐酸、磷酸、硝酸、硫酸中的任意一种，小蓟干叶与多糖的质量比为1：(0.1-1)，且每40mL稀酸中加入2-3g小蓟干叶，然后再加入质量分数为10％-30％的H2O2溶液，其中每40mL稀酸中加入8-10mLH2O2溶液，搅拌后进行水热反应，具体为在120-220℃温度下反应6-48h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在Ar或N2气氛下以2-10℃/min的升温速率进行升温，升温至500-800℃后煅烧2-12h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将2g小蓟干叶与1g蔗糖混合后放入浓度为1mol/L的40mL盐酸中，再加入10mL质量分数为10％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为180℃的环境下反应24h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在Ar气氛下以2℃/min的升温速率升温至600℃后煅烧2h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
从图1中可看出，所制备碳材料是有纳米片和纳米球纳米棒自组装的三维结构。从图2可知，三维碳材料在200mAg-1时，其首次放电容量为348mAh g-1，循环140圈后人仍保持在230mAh g-1。
实施例2
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将3g小蓟干叶与0.3g果糖混合后放入浓度为3mol/L的40mL盐酸中，再加入8mL质量分数为20％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为120℃的环境下反应48h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在N2气氛下以10℃/min的升温速率升温至800℃后煅烧12h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
实施例3
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将2g小蓟干叶与2g麦芽糖混合后放入浓度为3mol/L的40mL盐酸中，再加入10mL质量分数为30％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为150℃的环境下反应6h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在Ar气氛下以8℃/min的升温速率升温至500℃后煅烧10h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
实施例4
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将2g小蓟干叶与2g果糖混合后放入浓度为2mol/L的40mL硫酸中，再加入10mL质量分数为25％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为180℃的环境下反应36h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在N2气氛下以6℃/min的升温速率升温至600℃后煅烧6h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
实施例5
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将2g小蓟干叶与1g葡萄糖混合后放入浓度为2mol/L的40mL磷酸中，再加入8mL质量分数为15％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为180℃的环境下反应24h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在Ar气氛下以5℃/min的升温速率升温至700℃后煅烧6h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
实施例6
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将3g小蓟干叶与1.5g壳聚糖混合后放入浓度为1mol/L的40mL盐酸中，再加入10mL质量分数为20％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为150℃的环境下反应6h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在Ar气氛下以5℃/min的升温速率升温至600℃后煅烧8h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
实施例7
1)野外摘取新鲜的小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将2g小蓟干叶与1g淀粉混合后放入浓度为3mol/L的40mL硝酸中，再加入10mL质量分数为20％的H2O2溶液，磁力搅拌2h后转移入100ml水热反应釜中，在温度为220℃的环境下反应12h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤3次，然后在80℃温度下，真空干燥6h，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在N2气氛下以4℃/min的升温速率升温至600℃后煅烧2h，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
小蓟隶属于菊科蓟属植物，主要生长田间荒野，少量为药用，大部分被视为杂草去。本发明以价格低廉的小蓟草、多糖、高分子为原料，通过简单的水热碳化及高温碳化工艺，制得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料，且具有优异的电化学性能，可以当作钠电负极材料使用，本发明是一种电化学性能良好，低成本，绿色环保的基于小蓟草与多糖制备自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料，该方法以可再生来源丰富的小蓟草，多糖为原料，经水热反应预处理，随后高温退火碳化，制备的碳材料具有较大的比表面积，独特的片状与纳米球自组装三维结构，表现出优异的电化学性能，是一种比较理想的钠离子负极材料，且制备工艺简单、重复性高、成本低廉的特点。

Claims (7)

1.一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)野外摘取小蓟取其叶并用蒸馏水洗涤干净，经过冷冻干燥后获得小蓟干叶；
2)将获得的小蓟干叶与多糖混合后放入浓度为1-3mol/L的稀酸中，其中小蓟干叶与多糖的质量比为1：(0.1-1)，且每40mL稀酸中加入2-3g小蓟干叶，然后再加入质量分数为10％-30％的H2O2溶液，其中每40mL稀酸中加入8-10mLH2O2溶液，搅拌后进行水热反应，水热反应温度为120-220℃，反应时间6-48h，反应结束待自然降至室温，然后用水和乙醇分别洗涤，然后真空干燥处理，获得水热预处理碳材料；
3)将水热预处理碳材料在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧结束后冷却至室温，即获得自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中多糖是葡萄糖、壳聚糖、果糖、麦芽糖、蔗糖或淀粉中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，步骤2)的稀酸是盐酸、磷酸、硝酸、硫酸中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中采用水和乙醇分别洗涤3次。
5.根据权利要求1所述的一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中真空干燥处理为在80℃温度下，真空干燥6h。
6.根据权利要求1所述的一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中惰性气氛为Ar或N2气氛。
7.根据权利要求1所述的一种自组装三维生物炭钠离子电池负极碳材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中煅烧处理是以2-10℃/min的升温速率进行升温，升温至500-800℃后煅烧2-12h。
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