CN108258216A - 生物质碳-锡储能材料及其制备方法 - Google Patents

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李文磊
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Abstract

本发明提供一种生物质碳‑锡储能材料及其制备方法，包括以下步骤：(1)将蚕沙晒干并去除里面的杂质后，得到蚕沙粉末；(2)将蚕沙粉末加入四氯化锡的水溶液中搅拌；(3)将得到的样品取出并在烘箱中进行干燥；(4)将干燥后的样品于管式炉在空气中进行预碳化；(5)将预碳化并洗涤后的样品进行球磨；(6)将球磨后的样品于管式炉中在惰性气体或者氮气的保护下再次碳化；(7)将样品再次球磨后得到最终产品；碳‑锡材料相比较现有的石墨类负极材料拥有更高的比容量；碳材料作为一种稳定的基体或包覆剂，可作为锡负极的膨胀缓冲剂，防止金属锡的团聚和粉化；碳还可以作为锡负极与集流体之间的导电通道，起到稳定结构和增加导电性的作用。

Description

生物质碳-锡储能材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能材料技术领域，具体涉及一种生物质碳-锡储能材料及其制备方法。
背景技术
当今全球的石油储量大约仅能供人类使用40年，石油危机在日益严重，同时随着科技的发展和人们的环保意识不断增强，进一步的推动了国内外的新能源动力电池产业，除此之外一些电子产品也在悄然崛起，例如手机现在已经成为人们的日常生活的必需品，因此手机的电池续航能力以及使用寿命也成为了一个不可忽视的重要问题。
随着科技的不断进步，人们对电池的性能提出了更多更高的要求：电子设备的小型化和个性化发展，需要电池具有更小的体积和更高的比能量输出；航空航天能源要求电池具有循环寿命，更好的低温充放电性能和更高的安全性能；电动汽车需要大容量、低成本、高稳定性和安全性能的电池。
负极材料对于电池性能的提高具有重要作用。目前石墨类负极材料的比容量较小，约为330-350mAh/g，限制了电池比能量的进一步提高，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求。同时，石墨作为负极材料时，在首次充放电过程中在其表面形成一层固体电解质膜(SEI)对电池的性能造成不良的影响，因而已经无法满足人们对高容量电极的需求。
锡作为一种有望取代碳材料的负极材料，具有高达4200mAh/g的理论容量；并且具有类似于石墨的平稳的放电平台。但是它有其它高容量金属相似不足点，即循环性能非常差，无法进行正常的循环充电放电。锡作为负极材料使用，会出现着不可忽视的体积变化，这一变化会导致材料结构的崩塌以及电极材料的剥落进而导致电极材料失去电接触，造成电极的循环性能的骤降，最后将导致电极失效。当今可行的一种改善锡负极性能的研究趋势就是将锡与其它材料的复合来制备复合材料或合金，其中，结合碳材料的稳定性和锡的高比容量特性而制备的锡/碳复合材料显示了巨大的应用前景。锡碳材料是指以有机锡盐作为前驱体，将其渗入到有机凝胶中进行碳热还原，得到纳米级粒径的锡颗粒，均匀分散在碳基体中。锡/碳复合材料。它以高比能量(500-600mAh/g)、高倍率、高安全性等特点，引起了人们的广泛关注。
蚕沙为蚕蛾科昆虫家蚕Bombyx mori Linnaeus幼虫的干燥粪便。育蚕地区皆产，以江苏、浙江、四川等地产量最多。收集蚕沙后晒干，去除其中的泥土及桑叶碎屑。蚕的养殖在中国已有数千年历史有着深厚的技术经验积累，但是家蚕的养殖主要用以收获蚕茧制作丝绸，而通常家蚕的粪便都是以废物的方式浪费掉，相对其他碳材料而言，蚕沙具有一些天然的优势：首先蚕沙品质稳定，家蚕养殖全程喂养桑树叶片，获得的蚕沙材质纯粹，其次桑叶在经过家蚕啃食消化之后具有天然粉碎造粒作用，其微粒粒径已经达到微米甚至纳米级别，可以使锡和碳均匀的混合在一起，同时也可以在一定程度上减弱锡的体积膨胀，减少了一定量的工业加工过程，易于工业化生产。
发明内容
本发明要解决的是针对现有电池的石墨负极材料理论容量低(约372mAh/g)、高倍率充放电性能差、从而限制了电池能量进一步提高的技术问题，提供一种利用四氯化锡与蚕沙反应制成生物质碳-锡储能材料及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蚕沙晒干并去除里面的杂质后，得到蚕沙粉末；
(2)将上述蚕沙粉末加入四氯化锡的水溶液中搅拌；
(3)将得到的样品取出并在烘箱中进行干燥；
(4)将干燥后的样品于管式炉在空气中进行预碳化；
(5)将预碳化并洗涤后的样品进行球磨；
(6)将球磨后的样品于管式炉中在惰性气体或者氮气的保护下再次碳化；
(7)将样品再次球磨后得到最终产品。
作为优选方式，蚕沙与四氯化锡的质量比为1:2-1:6。
作为优选方式，四氯化锡水溶液的浓度是0.2-0.7g/ml。
作为优选方式，步骤(2)中搅拌的时间是20-60分钟。
作为优选方式，步骤(3)样品于烘箱中干燥的温度是70-90℃，烘箱中干燥的时间是5-15小时。
作为优选方式，步骤(4)预碳化的温度是250-450℃，预碳化之后保温1-3小时。
作为优选方式，步骤(5)球磨的时间是24-72小时。
作为优选方式，步骤(6)将球磨后的样品于管式炉中再次碳化的温度是700-1000℃。
作为优选方式，步骤(6)再次碳化之后保温1-3小时。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述制备方法得到的生物质碳-锡储能材料。
本发明与现有的一些电极材料相比有以下优势：
1、锡碳材料相比较现有的一些石墨类负极材料拥有更高的比容量。锡与碳的复合是目前研究较多的一种锂电池负极材料。碳材料作为一种稳定的基体或包覆剂，可以作为锡负极的膨胀缓冲剂，防止金属锡的团聚和粉化。同时，碳还可以作为锡负极与集流体之间的导电通道，起到稳定结构和增加导电性的作用。
2、本发明中的蚕沙品质稳定，家蚕养殖全程喂养桑树叶片，获得的蚕沙材质纯粹，然后就是桑叶在经过家蚕啃食消化之后具有天然粉碎造粒作用，其微粒粒径已经达到微米甚至纳米级别，减少了工业加工过程。更易于工业化生产。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将家蚕24小时内产生的新鲜蚕沙，晒干并去除里面的杂质后，得到蚕沙粉末；
(2)将上述蚕沙粉末加入四氯化锡的水溶液中搅拌20分钟；其中蚕沙与四氯化锡的质量比为1:2，四氯化锡水溶液的浓度是0.2g/ml；
(3)将得到的样品取出并在烘箱中进行干燥；干燥的温度是70℃，干燥的时间是5小时。
(4)将干燥后的样品于管式炉在空气中进行预碳化；预碳化的温度是250℃，预碳化之后保温1小时。
(5)将预碳化并洗涤后的样品进行球磨；球磨的时间是24小时。
(6)将球磨后的样品于管式炉中在惰性气体或者氮气的保护下再次碳化，再次碳化的温度是700℃，再次碳化之后保温1小时。
(7)将样品再次球磨后得到最终产品。
实施例2
一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将新鲜蚕沙，晒干并去除里面的杂质后，得到蚕沙粉末；
(2)将上述蚕沙粉末加入四氯化锡的水溶液中搅拌60分钟；其中蚕沙与四氯化锡的质量比为1:6，四氯化锡水溶液的浓度是0.7g/ml；
(3)将得到的样品取出并在烘箱中进行干燥；干燥的温度是90℃，干燥的时间是15小时。
(4)将干燥后的样品于管式炉在空气中进行预碳化；预碳化的温度是450℃，预碳化之后保温3小时。
(5)将预碳化并洗涤后的样品进行球磨；球磨的时间是72小时。
(6)将球磨后的样品于管式炉中在惰性气体或者氮气的保护下再次碳化，再次碳化的温度是1000℃，再次碳化之后保温3小时。
(7)将样品再次球磨后得到最终产品。
实施例3
一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将新鲜蚕沙，晒干并去除里面的杂质后，得到蚕沙粉末；
(2)将上述蚕沙粉末加入四氯化锡的水溶液中搅拌40分钟；其中蚕沙与四氯化锡的质量比为1:4，四氯化锡水溶液的浓度是0.5g/ml；
(3)将得到的样品取出并在烘箱中进行干燥；干燥的温度是85℃，干燥的时间是10小时。
(4)将干燥后的样品于管式炉在空气中进行预碳化；预碳化的温度是350℃，预碳化之后保温2小时。
(5)将预碳化并洗涤后的样品进行球磨；球磨的时间是55小时。
(6)将球磨后的样品于管式炉中在惰性气体或者氮气的保护下再次碳化，再次碳化的温度是850℃，再次碳化之后保温2小时。
(7)将样品再次球磨后得到最终产品。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将蚕沙晒干并去除里面的杂质后，得到蚕沙粉末；
(2)将上述蚕沙粉末加入四氯化锡的水溶液中搅拌；
(3)将得到的样品取出并在烘箱中进行干燥；
(4)将干燥后的样品于管式炉在空气中进行预碳化；
(5)将预碳化并洗涤后的样品进行球磨；
(6)将球磨后的样品于管式炉中在惰性气体或者氮气的保护下再次碳化；
(7)将样品再次球磨后得到最终产品。
2.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：蚕沙与四氯化锡的质量比为1:2-1:6。
3.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：四氯化锡水溶液的浓度是0.2-0.7g/ml。
4.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中搅拌的时间是20-60分钟。
5.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)样品于烘箱中干燥的温度是70-90℃，烘箱中干燥的时间是5-15小时。
6.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)预碳化的温度是250-450℃，预碳化之后保温1-3小时。
7.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)球磨的时间是24-72小时。
8.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：步骤(6)将球磨后的样品于管式炉中再次碳化的温度是700-1000℃。
9.根据权利要求1所述的一种生物质碳-锡储能材料的制备方法，其特征在于：步骤(6)再次碳化之后保温1-3小时。
10.权利要求1至9任意一项所述制备方法得到的生物质碳-锡储能材料。
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