CN109546132B - 一种蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法，将蒲公英加入水中，然后向其中加入混合糖超声搅拌得溶液B；将溶液B冷冻干燥得产物C；在产物C中加入浓硫酸和水，置于水热反应釜中反应得溶液D；将溶液D稀释至中性干燥得到产物E；在产物E上均匀铺上一层导电石墨于管式炉内反应得产物F；将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；将产物G与亚硫酸钠混合后加入浓盐酸及水得混合物H；将混合物H稀释至中性后置于管式炉内加热反应得最终产物。本发明不仅制备工艺简单，原料易得，所制备的蒲公英/糖生物碳复合结构用于锂硫电池中有利于抑制多硫化物在电解液中的分解，提升锂硫电池容量。

Description

一种蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂硫电池负极材料的制备方法，具体涉及一种蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法。
背景技术
便携式电子设备的发展对于先进能源存储的需求越来越迫切。先进能源系统的快速发展要求材料必须具备低成本、长寿命、安全性强、高能量、大功率、环境友好等优点。锂硫电池可以较好地将上述特点结合起来，在未来的高能量(2500Whkg-1)存储系统中具有较好的应用前景。在高能量密度的锂硫电池中，硫的理论容量为1672mAh·g-1，锂金属负极的理论容量为3860mAh·g-1。充放电过程中，锂离子从锂金属电极中产生，通过电解液扩散到硫电极，电子从外电路流动，在阴极处产生最终的放电产物Li2S。然而，锂硫电池的技术障碍限制了它的应用，比如循环周期短、负载硫的含量低。原因主要有以下几点：(1)由于在阳极和阴极中生成聚硫化物中间产物，形成聚硫化物的过程中产生复杂的组成和结构变化，聚硫化物极易在电解液中溶解造成容量损失，电极的循环稳定性差；(2)硫和放电产物Li2S具有离子和电子绝缘性，降低了材料的导电性。(3)聚硫化物在阳极与阴极之间循环往复，造成活性材料的损失，库伦效率较低，金属电极表面发生钝化，产生绝缘产物Li2S/Li2S2。(4)锂金属电极的损失主要由于表面的钝化和不稳定的固-液中间相的形成(SEI膜)，阻止了锂硫电池的长程循环稳定性。
近年来，大量的研究表明，上述问题可以通过引入硫-碳、硫-聚合物复合材料负极、新型电池体系、稳定锂金属负极等方法实现。研究结果主要包括：(1)引入新的电池组成材料和结构(负极、粘结剂、电解液和正极)。(2)Li-S氧化还原化学反应的机理研究。(3)在硫电极中引入导电基体(如：碳、聚合物、金属)。这种方法可以一定程度提升材料的导电性，但是其能量密度也会降低。对于新型电极结构的研究，主要包括采用硫-碳、硫-聚合物纳米复合材料、多孔聚硫化物存储、多孔集流体、粘结剂、自支撑复合电极、负极和分离器的层间距、聚硫化物阴极、表面涂层分离器、聚硫化物阴极、三明治阴极结构、锂金属保护和Li2S活化。基于上述研究，未来锂硫电池的发展和应用仍然具有广泛的前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，原料易得，在锂硫电池中有利于抑制多硫化物在电解液中的分解，提升锂硫电池容量的蒲公英制备生物碳的方法。
1)取蒲公英2-8g洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后向其中加入10g混合糖超声搅拌使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入1-10mL浓硫酸，40-49mL水，置于水热反应釜中在160-180℃，反应10-30h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应1-5h，得到产物F；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL浓盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应5-10h得蒲公英/糖生物碳复合结构。
所述步骤1)采用蒸馏水洗涤。
所述步骤2)混合糖是以质量比(7.5-9.5)：(3-6)：(1.5-2.5)分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉。
所述步骤2)超声搅拌15-60min。
所述步骤6、10)氩气流速为60sccm。
本发明的有益效果体现在：
1)本发明采用先混合糖溶液预浸泡，后管式炉煅烧处理的方式处理生物碳材料。混合糖溶液浸泡可以通过扩散的方式使葡萄糖、蔗糖、淀粉等分子进入生物质管状结构中，进而的水热处理在此基础上进一步刻蚀生物质内表皮，方便糖溶液扩散到生物质的内部。与此同时，水热过程中强酸的氧化和脱水反应将产物进行预碳化。
2)本发明中通过管式炉内热处理和加入导电石墨的协同作用来提升材料的导电性。在惰性气体的保护下，羧酸分子分解产生二氧化碳产生孔隙，剩余的碳原子排列重组形成碳六元环，结构更为有序，石墨化程度较高。与此同时，糖浸泡表面的含氧官能团可以与导电石墨稳定结合，提升材料整体的石墨化程度和导电性。
3)本发明负载硫的方式为盐酸浸泡亚硫酸钠和蒲公英/糖生物碳复合结构，相比于与硫粉直接研磨负载的方式，反应更加均一，增加了与蒲公英/糖生物碳复合结构的接触面积，将硫包覆在蒲公英/糖生物碳复合结构内部，有效缓解硫在充放电过程中的体积膨胀。
4)蒲公英热解之后主要是细长的管状结构，可以用作生物碳负极材料负载硫应用于锂硫电池。混合糖浸泡蒲公英并冷冻干燥，可以将混合糖小颗粒扩散到蒲公英的管状结构中，得到复合结构。
5)本发明的制备工艺较为简单，原料易得，得到的载硫的生物碳材料具有环境友好性。
6)本发明的生物碳作为负载硫的骨架，抑制了充放电过程中多硫化物在电解液中的溶解，同时碳化温度和载硫量的控制可以改变碳材料的导电性。在锂硫电池中复合结构有利于抑制多硫化物在电解液中的分解，提升锂硫电池容量。
7)浸泡糖种类、浓度，搅拌时间会影响复合结构中小颗粒的位置和含量，进而影响硫分子扩散的难易程度。葡萄糖为单糖，容易在较低的能量下负载到蒲公英碳表面；蔗糖表面含有较多的羟基，容易与蒲公英碳表面的羧基结合形成稳定的结构；淀粉为长分子链，水解成葡萄糖单糖需要消耗能量，因此不易于负载到蒲公英碳表面，但是热解过程中直链淀粉发生碳原子重组可以成环，提升导电性。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的蒲公英/糖生物碳复合结构的SEM图。
图2是本发明实施例1制备的蒲公英/糖生物碳复合结构的SEM图。
具体实施方式
实施例1：
1)取蒲公英2g采用蒸馏水洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后以质量比8：3：1.5分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉共10g超声搅拌45min使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入10mL浓硫酸，40mL水，置于水热反应釜中在180℃，反应10h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应5h，得到产物F，其中氩气流速为60sccm；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应5h得最终产物，其中氩气流速为60sccm。
由图1可知，当分别以质量比8：3：1.5向蒲公英中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉时，蒲公英制备的生物碳表面较粗糙，产生一部分微孔，表面负载的糖类硬碳较多，复合碳材料的高导电性可以很好地改善正极的电子传输，多孔碳材料中丰富的孔洞可以很好地缓解硫在充放电过程中的体积膨胀。
实施例2：
1)取蒲公英2g采用蒸馏水洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后以质量比7.5：5：3.5分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉共10g超声搅拌45min使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入10mL浓硫酸，40mL水，置于水热反应釜中在180℃，反应10h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应5h，得到产物F，其中氩气流速为60sccm；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应5h得最终产物，其中氩气流速为60sccm。
由图2可知，当分别以质量比7.5：5：3.5向蒲公英中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉时，蒲公英制备的生物碳表面较光滑，负载的糖类硬碳较少，因而该类生物碳材料表面羰基、羟基等官能团较少，在锂硫电池充放电过程中，表面羰基、羟基等官能团可以吸附多硫化物，抑制穿梭效应。
实施例3：
1)取蒲公英2g采用蒸馏水洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后以质量比9.5：3：1.5分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉共10g超声搅拌60min使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入8mL浓硫酸，42mL水，置于水热反应釜中在170℃，反应30h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应1h，得到产物F，其中氩气流速为60sccm；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应6h得最终产物，其中氩气流速为60sccm。
实施例4：
1)取蒲公英2g采用蒸馏水洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后以质量比9.5：3：1.5分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉共10g超声搅拌30min使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入5mL浓硫酸，45mL水，置于水热反应釜中在160℃，反应20h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应3h，得到产物F，其中氩气流速为60sccm；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应10h得最终产物，其中氩气流速为60sccm。
实施例5：
1)取蒲公英2g采用蒸馏水洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后以质量比7.5：6：2分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉共10g超声搅拌50min使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入3mL浓硫酸，47mL水，置于水热反应釜中在165℃，反应25h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应4h，得到产物F，其中氩气流速为60sccm；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应8h得最终产物，其中氩气流速为60sccm。
实施例6：
1)取蒲公英2g采用蒸馏水洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后以质量比8：5：2分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉共10g超声搅拌15min使其充分反应，得到溶液B；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入1mL浓硫酸，49mL水，置于水热反应釜中在160℃，反应30h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应2h，得到产物F，其中氩气流速为60sccm；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应10h得最终产物，其中氩气流速为60sccm。

Claims (4)

1.一种蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法，其特征在于：
1)取蒲公英2g洗涤后烘干，得到产物A；
2)在产物A中加入100mL水，然后向其中加入10g混合糖超声搅拌使其充分反应，得到溶液B；
所述混合糖是以质量比(7.5-9.5)：(3-6)：(1.5-2.5)分别向其中加入葡萄糖、蔗糖和淀粉；
3)将溶液B置于冷冻干燥机中冷冻干燥得产物C；
4)在产物C中加入1-10mL浓硫酸，40-49mL水，置于水热反应釜中在160-180℃，反应10-30h，得到溶液D；
5)将溶液D稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物E；
6)将产物E平铺于白色氧化铝瓷舟中，再在其上均匀铺上一层导电石墨，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至1000℃，在1000℃反应1-5h，得到产物F；
7)将产物F用乙醇和水反复冲洗，抽滤，烘干，得到产物G；
8)将产物G与亚硫酸钠以6：4的质量比混合，加入10mL浓盐酸稀释到60mL得到混合溶液H；
9)将混合物H稀释至pH＝7，过滤，干燥得到产物I；
10)将产物I平铺于白色氧化铝瓷舟中，置于氩气气氛的管式炉内自室温以5℃/min的升温速率升温至300℃，反应5-10h得蒲公英/糖生物碳复合结构。
2.根据权利要求1所述的蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤1)采用蒸馏水洗涤。
3.根据权利要求1所述的蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2)超声搅拌15-60min。
4.根据权利要求1所述的蒲公英/糖生物碳复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤6、10)氩气流速为60sccm。
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