[发明专利]一种椰皮纤维转化的微蜂窝状碳材料的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用

说明书

本发明公开了一种椰皮纤维转化的微蜂窝状碳材料的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用，其中微蜂窝状碳材料是天然椰皮纤维依次经破碎、筛分、活化、热解、二次活化后获得的。本发明制备的微蜂窝状碳材料可以作为钠离子电池负极材料使用。本发明得到的生物质碳材料具有多级孔隙分布及较高的比表面积，有利于电解液的渗透、存在较大储钠空间且结构稳定性高，用其组装得到的钠离子电池可逆容量高、循环稳定性好。

技术领域

本发明涉及一种具有特殊形貌可用于钠离子电池的生物质碳的制备方法，具体地说是一种椰皮纤维转化的微蜂窝状碳材料的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用。

背景技术

近些年来，人类对绿色能源的需求日益扩大，而广泛应用的锂离子电池中锂资源不满足电力车辆整体市场化预期。与锂相比，钠元素的储量要大得多，这使得钠离子电池(NIBs)的造价大大降低，也更加绿色环保、安全可靠，NIBs有望成为LIBs的有效替代物。然而，研究循环性好、低成本、安全稳定的负极材料是阻碍NIBs商业化的严重问题。

在负极材料中，各种碳基材料因其低成本、环境友好及优异的电化学稳定性而备受关注与研究。但是早期工作发现石墨不能用于SIBs，因为Na⁺插入石墨后生成的是不稳定物质。一些非石墨化的碳基材料(如硬/软碳、无定型碳等)作SIBs负极材料得到发展。大量研究发现不同形貌的碳(中空碳纳米片、N-掺杂碳纳米片、空心碳球和碳纳米线等)会呈现截然不同的电化学性能，却因存在副反应且库伦效率低而不能用于商业领域。Dahn报道采用硬碳作钠电负极可以释放300mAh g^-1的比容量，非常接近LIBs的石墨材料，但制造成本偏高，不能满足商业应用要求。生物质材料是一种来源丰富、成本低、环境友好可持续的天然绿色资源，近些年从各类生物质中获取碳越来越吸引人们的注意，研究发现不同生物质材料通过不同方式制备，可以得到不同形貌的生物质碳，电化学性能与微观形貌密不可分。从现有研究成果可以看出以生物质为原料得到的碳具有良好的电化学性能，且其在锂离子电池负极材料的研究中得到初步肯定。

椰子综合利用产品有360多种，据统计2014年椰子世界产量已达61.4百万吨，是热带地区独特的可再生、绿色、环保型资源。一颗椰子由椰子水、椰肉、椰壳及椰皮纤维部分组成。椰子水及椰肉为食用部分，其椰壳部分可制成各种工艺品、高吸附能力的活性炭，而占整个椰子70％重量的椰皮纤维只被用作毛刷、地毯、缆绳廉价生活用品，椰皮具有特殊的纤维形貌，天然孔径发达且具有极高的比表面积，以其为原料制备钠离子电池负极生物质粉末碳材料，组装钠离子电池有望得到优良的电化学性能，并拥有产业化生产的先决条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种椰皮纤维转化的微蜂窝状碳材料的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用。本发明微蜂窝状钠离子电池负极碳材料具有多级孔隙分布及较高的比表面积，组装得到的钠离子电池可逆容量高、循环稳定性好，且制备工艺简单、成本低廉、绿色环保。

本发明椰皮纤维转化的微蜂窝状碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：首先将天然椰皮纤维与椰壳分离，置于烘箱中于80℃保温24h，然后用破碎机粉碎，振动筛筛选150-200目，将筛选出的椰皮纤维粉末依次用去离子水和酒精清洗，随后置于真空干燥箱中于60℃保温12h；

步骤2：取10g步骤1获得的椰皮纤维粉末浸没于氯化锌、无水碳酸钾及磷酸的去离子水混合溶液中，常温下浸泡24h，然后置于真空干燥箱中，90℃保温12h，获得预活化的椰皮纤维粉末；

步骤3：将步骤2获得的预活化的椰皮纤维粉末置入高温管式炉中，在非氧化环境下，以3-5℃/h的升温速率升至600-1000℃并保温1-5h，随后冷却至室温，制得热解碳；

步骤4：在常温下，将步骤3获得的热解碳置于100ml的氢氧化钾去离子水溶液中浸泡2h，随后加入37wt％的盐酸溶液继续浸泡2h，用去离子水洗至pH＝7，置于真空干燥箱中80℃保温12h，制得微蜂窝状碳材料。