[发明专利]一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池的多孔碳正极及制备方法，首先，将干燥好的荔枝壳放在管式炉中，焙烧至250~300℃预碳化3~4小时，得到预碳化的荔枝壳，进而将预碳化荔枝壳与活化剂按照一定的质量比分散于去离子水中，然后放置于管式炉中，焙烧至500~850℃，保温3~4小时，得到多孔碳材料。本制备过程中方法相对简单、生产成本低廉、原料丰富，材料具有较多的微孔，得到的多孔性正极材料具有良好的电化学性能，所装配的锌离子电池具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体为水系锌离子二次电池正极材料的制备方法。

背景技术

锌离子电池具有成本低、安全性高、环境友好等特点，被认为是替代锂离子电池作为动力电源较好选择。有关锌电池正极材料的研究相对较少，而且其正极材料的可选择余地较小，因此正极材料是制约锌离子电池发展的关键问题。多孔碳具有比表面积大、导电性好、化学稳定性高等优点，近些年因在气体分离、水净化、电池、超级电容器和催化剂等方面的广泛应用而倍受关注。若利用生物质来制备碳材料，如农业废弃物、木材类原料、竹类植物和木质素等可再生资源作碳源，不仅其来源丰富，而且符合循环经济和可持续性发展的国家政策。近来，有研究者采用在 N₂ 气氛中800℃直接热分解醋酸纤维素来制备多孔碳材（Chemistry Materials，2002，14: 2940 －2945．）。孙利采用化学浸渍氧化－碳化法以松木锯末为原料制备了氮掺杂的纳米级多孔碳，其比表面积和孔容分别达到2153m²/g 和1.37cm³/g（博士学位论文，大连理工大学，2013．）。Kurosaki等通过急剧加热木屑得到了多层分级结构的多孔碳材，其比表面积为 372m²/g（Carbon，2008，46(6):850 -857）。可见，利用生物质来制备多孔碳材料，廉价易得且性能优良，同时实现了废弃物的循环再利用和碳材料的可持续发展，因此具有广泛的研发前景。

发明内容

本发明目的是将荔枝壳预碳化后与活性剂按一定的比例混合，最后活化得到多孔碳材料。利用多孔碳的多孔性能提高锌离子电池正极材料的电化学性能。该方法原料储量丰富、可再生、廉价、对环境无害，制备过程相对简单，所制备的多孔性正极材料具有良好的稳定性和电化学性能。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案：

（1）将荔枝壳与一定量的去离子水在超声波作用下洗涤1~2小时，然后在80~90℃真空烘箱中干燥10~18小时；

（2）取步骤（1）中干燥好的荔枝壳置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以2~3℃/分钟速率升温至250~300℃，保温3小时，自然冷却至室温，研磨均匀；

（3）将步骤（2）中所得预碳化荔枝壳粉末与KOH、NaOH或ZnCl₂按质量比1:0~5，加入到一定量的去离子水中，在超声波的作用下分散1~2小时，将所得混合物在45~60℃的鼓风干燥箱中干燥12~16小时；

（4）将步骤（3）混合物置于坩埚中，采用管式炉进行焙烧，条件为：Ar气氛，以5~10℃/分钟速率升温至500~850℃，保温3~4小时，自然冷却至室温，将得到黑色固体研磨均匀；

（5）取上述步骤（4）中的多孔碳材料、导电剂和粘结剂按照质量比8:1:1混合，并滴加适量N-甲基吡咯烷酮，用球磨机球磨4小时后，将混合浆料涂布在不锈钢箔上，在110~120℃下真空干燥10~12小时，得到正极材料。

进一步的，根据权利要求1所述步骤（2）中预碳化温度为300℃，时间为3小时。

进一步的，根据权利要求1所述步骤（3）中预碳化荔枝壳粉末与KOH、NaOH或ZnCl₂的最佳质量比1:4。

进一步的，根据权利要求1所述步骤（3）中活化温度为800℃，时间为3小时。