CN114737279A - 一种生物质中空碳纤维及其制备方法、电极材料、电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生物质中空碳纤维及其制备方法、电极材料、电池，其中，所述方法包括如下步骤：步骤1、采用梧桐果实内部的细丝纤维为原料，将其在保护气氛下进行烧结处理得到烧结料，其中，烧结温度为：400～650℃；步骤2、烧结后，将所述烧结料冷却，得到第一中空碳纤维；步骤3、采用酸溶液对步骤2中的所述第一中空碳纤维进行浸泡，去除内部的可溶性杂质；步骤4、将步骤3中去除内部的可溶性杂质后的第一中空碳纤维放入溶剂中进行反复清洗，得到干净的所述生物质中空碳纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质中空碳纤维的制备方法及其储能应用，属于先进材料和储能技术领域，尤其涉及一种生物质中空碳纤维及其制备方法、电极材料、电池。
背景技术
由于传统石化能源的储量限制和其所带来的环境问题，绿色、健康和可持续发展的理念逐渐成为社会发展的共识。人们开始投入巨大的努力以寻找和开发清洁、高效和安全的新型能源系统。一系列新型的电化学储能技术如锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、超级电容器等获得了广泛的关注，并在便携式电子、电动汽车、大规模能量存储等领域展现了良好的应用前景。
在开发高性能储能技术的过程中，研究和探寻合适的电极材料，仍然是一个重要的焦点。生物质碳材料因具有环境友好、分布广泛、易获得、成本低、导电性好、可再生等优点而被广泛应用于储能领域，成为电极材料的一个重要选项。更为重要的是，自然界中资源丰富的生物质本身具有特殊的微观结构，并可能含有丰富的异质元素，能够实现异质元素的原位掺杂。这些都是实现良好电化学存储性能的理想特性，从而可以使储能器件展现出较高的比容量、优异的循环性能和倍率性能。
梧桐树，广泛分布于我国各地域。其所结果实为球形，内部含有丰富的毛状细丝纤维。该纤维在转化为一维的生物质碳材料方面具有较大的潜力。而研究表明：一维结构材料，作为电化学储能电极材料，在提升电化学性能方面具有良好的效果。其具有较大的比表面积，可以提供活性材料丰富的反应活性位点，并有效缩短电化学离子和电子的传输距离。特别的，一维结构材料如果内部为中空结构，可进一步增强材料的以上优势，并利于保持结构的完整度。因此，采用合适的制备方法，将梧桐果实内部的细丝纤维加以利用并转化为一维的、内部为中空结构的生物质碳材料，在作为储能器件电极材料方面将具有良好的应用前景。可以有效实现对梧桐果实的变废为宝和高附加值增益，达到良好的社会和经济效益。
然而，研究表明，工艺条件在梧桐果毛状细丝纤维转化为中空碳纤维的过程中起着决定性的作用。比如：烧结制度不合理，可能会破坏其纤维结构，得到片状的或者块状的碳材料，而难以形成中空碳纤维，从而影响其使用性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种生物质中空碳纤维及其制备方法、电极材料、电池，以解决现有技术中的上述问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种生物质中空碳纤维的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、采用梧桐果实内部的细丝纤维为原料，将其在保护气氛下进行烧结处理得到烧结料，其中，所述烧结的烧结温度为：400～650℃；
步骤2、烧结后，将所述烧结料冷却，得到第一中空碳纤维；
步骤3、采用酸溶液对步骤2中的所述第一中空碳纤维进行浸泡，去除内部的可溶性杂质；
步骤4、将步骤3中去除内部的可溶性杂质后的第一中空碳纤维放入溶剂中进行反复清洗，得到干净的所述生物质中空碳纤维。
可选的是，步骤1中升温到所述烧结温度的升温速率为：0.1～20℃/min；烧结的保温时间为：0～50小时；所述保护气氛包括：氩气或者氮气。
可选的是，步骤2中的所述冷却包括：在烧结炉中自然冷却。
可选的是，步骤3中的酸溶液包括稀盐酸溶液。
可选的是，步骤4中的溶剂包括去离子水、乙醇和丙酮的一种或几种；反复清洗的次数包括1-20次。
可选的是，所述生物质中空碳纤维的直径在1到50微米之间。
可选的是，所述生物质中空碳纤维的壳的厚度在0.01到10微米之间；所述生物质中空碳纤维因碳化裂解形成的细孔孔径分布在0.0001到10微米之间；比表面积在0.1到1000平方米/克之间。
本发明还提供一种生物质中空碳纤维，所述生物质中空碳纤维采用上述任一种方法制备而成。
本发明还提供一种电极材料，所述电极材料包括上述的生物质中空碳纤维。
本发明还提供一种电池，所述电池包括上述的电极材料。
本发明提供的中空碳纤维以梧桐果实内部的毛状细丝纤维为原材料，采用一步烧结的方法制备，工艺简单、成本较低、适合工业化生产和应用。本发明通过将烧结温度限定在400～650℃，可以得到中空碳纤维，从而解决了现有技术只能得到片状的或者块状的碳材料的技术难题。中空碳纤维作为碳材料本身具有良好的导电性能；此外，基于其理想的中空结构、内部丰富的沟壑状纹理和裂解所产生的空隙，中空碳纤维具有较大的比表面积。将其作为储能器件的电极材料使用，可以和电解质进行充分的接触，并能够提供丰富的反应活性位点、快速的电荷传输速度，从而实现良好的电化学性能，如高的比容量、稳定的循环性能和良好的倍率性能。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为梧桐果实外观(a)及内部细丝纤维(b)(c)的实物照片；
图2为本发明的中空碳纤维的扫描电镜照片，其中，右图为左图圆圈处的放大图；
图3为本发明的中空碳纤维作为锂离子电池负极材料的循环性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于提供一种生物质中空碳纤维的制备方法，该方法可以通过简单的一步烧结而实现。所制备的生物质中空碳纤维作为储能器件的电极材料使用，具有良好的电化学性能。此外，工艺简单、成本较低，适合工业化生产和应用。
本发明实施例提供了一种生物质中空碳纤维的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、采用梧桐果实内部的细丝纤维为原料，将其在保护气氛下进行烧结处理得到烧结料，其中，所述烧结的烧结温度为：400～650℃；
步骤2、烧结后，将所述烧结料冷却，得到第一中空碳纤维；
步骤3、采用酸溶液对步骤2中的所述第一中空碳纤维进行浸泡，去除内部的可溶性杂质；
步骤4、将步骤3中去除内部的可溶性杂质后的第一中空碳纤维放入溶剂中进行反复清洗，得到干净的所述生物质中空碳纤维。
可选的是，步骤1中升温到所述烧结温度的升温速率为：0.1～20℃/min；烧结的保温时间为：0～50小时；所述保护气氛包括：氩气或者氮气。
可选的是，步骤2中的所述冷却包括：在烧结炉中自然冷却。其中，烧结炉包括管式烧结炉。
可选的是，步骤3中的酸溶液包括稀盐酸溶液。
可选的是，步骤4中的溶剂包括去离子水、乙醇和丙酮的一种或几种；反复清洗的次数包括1-20次。
可选的是，所述生物质中空碳纤维的直径在1到50微米之间。
图2为本发明的中空碳纤维的扫描电镜照片。根据测量结果可知所述生物质中空碳纤维的壳的厚度在0.01到10微米之间；所述生物质中空碳纤维因碳化裂解形成的细孔孔径分布在0.0001到10微米之间；比表面积在0.1到1000平方米/克之间。
本发明还提供一种生物质中空碳纤维，所述生物质中空碳纤维采用上述任一种方法制备而成。
本发明还提供一种电极材料，所述电极材料包括上述的生物质中空碳纤维。
本发明还提供一种电池，所述电池包括上述的电极材料。图3为本发明的中空碳纤维作为锂离子电池负极材料的循环性能，由图3可知本发明的循环稳定性良好，在循环100次后仍具有200毫安时/克以上的比容量。所述电池包括钾离子电池、钠离子电池或锂离子电池。在一个具体的实施例中，所述电池包括CR2032型扣式锂离子电池、CR2032型扣式钠离子电池或CR2032型扣式锂离子电池。
所述电池的制备方法包括：
将所得到的中空碳纤维与导电炭黑、PVDF粘结剂(质量比为8:1:1)在NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)的溶剂中进行混合，获得均匀的浆料。然后涂覆在铜箔上，并在100℃下真空干燥12小时。干燥后，裁剪为12毫米的电极片以备使用。以锂金属为对电极/参比电极、Celgard 2400为隔膜、1摩尔/升的LiPF6溶液(溶剂为等体积混溶的EC、DEC、DMC)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装CR2032型扣式锂离子电池。在0.01到3.0伏的电压范围内，以100毫安/克的电流密度测试循环稳定性。中空碳纤维的循环稳定性良好，在循环100次后仍具有200毫安时/克以上的比容量。
本发明提供的中空碳纤维以梧桐果实内部的毛状细丝纤维为原材料，采用一步烧结的方法制备，工艺简单、成本较低、适合工业化生产和应用。中空碳纤维作为碳材料本身具有良好的导电性能；此外，基于其理想的中空结构、内部丰富的沟壑状纹理和裂解所产生的空隙，中空碳纤维具有较大的比表面积。将其作为储能器件的电极材料使用，可以和电解质进行充分的接触，并能够提供丰富的反应活性位点、快速的电荷传输速度，从而实现良好的电化学性能，如高的比容量、稳定的循环性能和良好的倍率性能。
获得梧桐果实内部的细丝纤维的方法包括如下步骤：
提供梧桐果，如图1(a)所示为梧桐果实外观；
将梧桐果的壳去掉，仅留下梧桐果实内部的原始细丝纤维，如图1(b)(c)所示。
梧桐果实内部的原始细丝纤维包括与梧桐果实的果核相连的一端部分及不与梧桐果实的果核相连的一端部分。在一个具体的实施例中，步骤1中梧桐果实内部的细丝纤维仅包括与梧桐果实的果核相连的一端部分，不包括不与梧桐果实的与果核相连的一端部分。在一个具体的实施例中，以梧桐果实内部的原始细丝纤维具备两个端部的整个长度为100％计，步骤1中梧桐果实内部的细丝纤维包括从与梧桐果实的果核相连的一端起的占梧桐果实内部的原始细丝纤维具备两个端部的整个长度的10％-90％的长度。需要说明的是，不包括不与梧桐果实的与果核相连的一端部分的细丝纤维可以进一步保证由此制备出来的生物质中空碳纤维具有中空管状的结构。
实施例1：
1、将5克的梧桐果实内部的细丝纤维放入管式烧结炉中在500℃的温度下进行烧结3小时，升温速率为5℃/分，保护气氛为氩气。烧结后，采用稀盐酸溶液将产物进行浸泡，去除内部的可溶性杂质。随后，放入去离子水、乙醇、丙酮等溶剂中的一种或几种进行清洗，得到干净的中空碳纤维材料。
2、将所得到的中空碳纤维与导电炭黑、PVDF粘结剂(质量比为8:1:1)在NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)的溶剂中进行混合，获得均匀的浆料。然后将浆料涂覆在铜箔上，并在100℃下真空干燥12小时。干燥后，裁剪为12毫米的电极片以备使用。以锂金属为对电极/参比电极、Celgard 2400为隔膜、1摩尔/升的LiPF6溶液(溶剂为等体积混溶的EC、DEC、DMC)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装CR2032型扣式锂离子电池。在0.01到3.0伏的电压范围内，以100毫安/克的电流密度测试循环稳定性。中空碳纤维的循环稳定性良好，在循环100次后仍具有近300毫安时/克的比容量。
实施例2：
1、将10克的梧桐果实内部的细丝纤维放入管式烧结炉中在400℃的温度下进行烧结3小时，升温速率为5℃/分，保护气氛为氩气。烧结后，采用稀盐酸溶液将产物进行浸泡，去除内部的可溶性杂质。随后，放入去离子水、乙醇、丙酮等溶剂中的一种或几种进行清洗，得到干净的中空碳纤维材料。
2、将所得到的中空碳纤维与导电炭黑、PVDF粘结剂(质量比为8:1:1)在NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)的溶剂中进行混合，获得均匀的浆料。然后涂覆在铜箔上，并在100℃下真空干燥12小时。干燥后，裁剪为12毫米的电极片以备使用。以锂金属为对电极/参比电极、whatman GF/D玻璃纤维为隔膜、1摩尔/升的NaClO4溶液(溶剂为PC，含5vol％的FEC)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装CR2032型扣式钠离子电池。在0.01到3.0伏的电压范围内，以100毫安/克的电流密度测试循环稳定性。中空碳纤维的循环稳定性良好，在循环100次后仍具有近250毫安时/克的容量。
实施例3：
1、将15克的梧桐果实内部的细丝纤维放入管式烧结炉中在650℃的温度下进行烧结3小时，升温速率为5℃/分，保护气氛为氩气。烧结后，采用稀盐酸溶液将产物进行浸泡，去除内部的可溶性杂质。随后，放入去离子水、乙醇、丙酮等溶剂中的一种或几种进行清洗，得到干净的中空碳纤维材料。
2、将所得到的中空碳纤维与导电炭黑、PVDF粘结剂(质量比为8:1:1)在NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)的溶剂中进行混合，获得均匀的浆料。然后涂覆在铜箔上，并在100℃下真空干燥12小时。干燥后，裁剪为12毫米的电极片以备使用。以锂金属为对电极/参比电极、whatman GF/D玻璃纤维为隔膜、0.8摩尔/升的KPF6溶液(溶剂为等体积混溶的EC、DEC)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装CR2032型扣式钾离子电池。在0.01到3.0伏的电压范围内，以100毫安/克的电流密度测试循环稳定性。中空碳纤维的循环稳定性良好，在循环100次后仍具有200毫安时/克以上的容量。
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，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种生物质中空碳纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、采用梧桐果实内部的细丝纤维为原料，将其在保护气氛下进行烧结处理得到烧结料，其中，烧结温度为：400～650℃；
步骤2、烧结后，将所述烧结料冷却，得到第一中空碳纤维；
步骤3、采用酸溶液对步骤2中的所述第一中空碳纤维进行浸泡，去除内部的可溶性杂质；
步骤4、将步骤3中去除内部的可溶性杂质后的第一中空碳纤维放入溶剂中进行反复清洗，得到干净的所述生物质中空碳纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中升温到所述烧结温度的升温速率为：0.1～20℃/min；烧结的保温时间为：0～50小时；所述保护气氛包括：氩气或者氮气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中的所述冷却包括：在烧结炉中自然冷却。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中的酸溶液包括稀盐酸溶液、稀硝酸溶液或稀硫酸溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中的溶剂包括去离子水、乙醇和丙酮的一种或几种；反复清洗的次数包括1-20次。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述生物质中空碳纤维的直径在1到50微米之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生物质中空碳纤维的壳的厚度在0.01到10微米之间；所述生物质中空碳纤维因烧结裂解形成的细孔孔径分布在0.0001到10微米之间；比表面积在0.1到1000平方米/克之间。
8.一种生物质中空碳纤维，其特征在于，所述生物质中空碳纤维采用权利要求1-7任一项所述的方法制备而成。
9.一种电极材料，其特征在于，所述电极材料包括权利要求8所述的生物质中空碳纤维。
10.一种电池，其特征在于，所述电池包括权利要求9所述的电极材料。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000303266A (ja) * | 1999-04-22 | 2000-10-31 | Hidetaka Kato | 多孔性炭素繊維質材及び植物廃材の再利用法 |
| CN103215691A (zh) * | 2012-12-15 | 2013-07-24 | 王滨 | 一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法 |
| CN106676677A (zh) * | 2017-02-06 | 2017-05-17 | 信阳师范学院 | 一种生物质材料制备中空碳纤维的方法 |
| CN108232369A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-29 | 华南理工大学 | 一种生物质衍生的集成式柔性电极及其制备方法 |
| US20190312277A1 (en) * | 2017-01-04 | 2019-10-10 | South China University Of Technology | Three-dimensional structured plant-fiber carbon material for use as anode material for sodium-ion battery and lithium-ion battery, and preparation method thereof |
| US20200127294A1 (en) * | 2017-04-17 | 2020-04-23 | Institute Of Chemistry, Chinese Academy Of Sciences | Three-dimensional current collector for metal secondary battery anode, its preparation and application |
| CN111172627A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-19 | 安徽工程大学 | 一种中空结构生物质活性炭纤维及其制备方法 |
-
2022
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000303266A (ja) * | 1999-04-22 | 2000-10-31 | Hidetaka Kato | 多孔性炭素繊維質材及び植物廃材の再利用法 |
| CN103215691A (zh) * | 2012-12-15 | 2013-07-24 | 王滨 | 一种以棉花为原料制备中空结构碳纤维的方法 |
| US20190312277A1 (en) * | 2017-01-04 | 2019-10-10 | South China University Of Technology | Three-dimensional structured plant-fiber carbon material for use as anode material for sodium-ion battery and lithium-ion battery, and preparation method thereof |
| CN106676677A (zh) * | 2017-02-06 | 2017-05-17 | 信阳师范学院 | 一种生物质材料制备中空碳纤维的方法 |
| US20200127294A1 (en) * | 2017-04-17 | 2020-04-23 | Institute Of Chemistry, Chinese Academy Of Sciences | Three-dimensional current collector for metal secondary battery anode, its preparation and application |
| CN108232369A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-29 | 华南理工大学 | 一种生物质衍生的集成式柔性电极及其制备方法 |
| CN111172627A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-19 | 安徽工程大学 | 一种中空结构生物质活性炭纤维及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 贺达: "生物质纤维基多孔碳的制备及其在超级电容器中的应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 * |
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