[发明专利]一种生物质多孔碳用作钾离子电池负极的方法

说明书

一种生物质多孔碳用作钾离子电池负极的方法，首先将生物质前驱体与特定盐混匀，并采取无污染的熔融盐碳化方法制备三维分级多孔碳材料，通过调控反应过程中炭化温度、特定盐与生物质原料的比例，得到多孔碳材料，然后将该多孔碳材料用作钾离子电池负极。所述多孔碳负极材料通过熔融盐碳化的方法制备，其步骤：1)将生物质原料洗净粉碎成前驱体粉末；2)将前驱体与特定盐颗粒球磨混合；3)将步骤2的产物覆盖盐粉末后在空气下以1‑10℃/min的速率升温至500‑1200℃保温3‑6小时，生成的产物经洗涤、分离提纯即得目标产物。该合成方法简单无污染，操控步骤易于控制，规模化生产可实现性高，所得多孔碳材料用作钾离子电池负极，其电化学性能优异，循环稳定性好。

技术领域

本发明涉及钾离子储能设备技术领域，具体涉及到一种用生物质制备多孔碳用做钾离子电池负极的方法。

背景技术

作为当今社会的主要能源化石燃料能源是不可再生的，燃烧后的气体排放也会导致严重的环境问题，如全球变暖和热污染。可持续和绿色环保的风能和太阳能可以转换成电能并传输到各城市，但只有在储存在可充电电池中后，才能得到广泛使用。考虑到锂资源短缺和地理分布不均导致价格上涨，人们普遍认为锂离子电池难以应用于大规模储能设备中。由于价格是固定电池的主要问题，锂离子在短期内仍将继续用于电子设备和车辆，这刺激了用于固定存储的钠离子电池和钾离子电池的研究。与地壳中匮乏的锂资源相比，钠和钾的储量尤为丰富，在长期研究中很少有研究关注钾离子电池。此外，钾离子电池相对钠离子电池有较高的电压平台和较高的能量密度。然而，由于钾离子的半径大于锂离子和钠离子半径，导致钾离子电池容量低，速率性能差，因此钾离子嵌入电极材料是一个挑战。

因此，研究了许多具有各种结构的碳质钾离子负极材料，如杂原子掺杂碳质材料，硬碳，石墨烯和碳纤维。在这些材料中，三维分级多孔碳材料具有较大的比表面积、高导电性、良好的化学稳定性和低成本而成为商业钾离子电池的一种非常有前途的候选材料，并且具有高的钾离子电池容量和出色的循环稳定性。

生物质资源作为一种可再生资源，因其低成本，快速再生，巨大的可用性和环境友好性在碳质材料的制备中引起了广泛的关注。利用生物质资源，合成钾离子负极材料成为有效的解决方案。传统生物质原料制备钾离子碳负极材料，合成形貌难以控制，合成过程多使用强酸强碱。然而，到目前为止微观结构可控规整的生物质三维分级多孔碳材料的制备方法尚未见报道，这大大制约了钾离子电池负极材料的进一步应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种采用生物质原料，合成方法简单，操作步骤可控性高的生物质多孔碳用作钾离子电池负极的方法。

技术方案：本发明的一种生物质多孔碳用作钾离子电池负极的方法，首先将生物质前驱体与特定盐混匀，并采取无污染的熔融盐碳化方法制备三维分级多孔碳材料，通过调控反应过程中炭化温度、特定盐与生物质原料的比例，得到多孔碳材料，然后将该多孔碳材料用作钾离子电池负极。

所述熔融盐碳化方法制备三维分级多孔碳材料，包括以下步骤：

(1)将生物质原料粉碎，得到前驱体粉末；

(2)将前驱体粉末同特定盐颗粒球磨混合，得到的初始产物覆盖混合盐颗粒，初始产物与特定盐的质量比为1:0.1-2；

(3)在空气下以1-10℃/min的速率升温至500-1200℃，保温3-6小时，再经分离提纯即得到三维分级多孔碳材料。

所述的生物质原料为玉米叶、松针、枫叶、花生壳、蓝藻、麦秆、茶叶、稻草、苔藓、菠萝皮、核桃壳、或海藻中的任意一种或几种。

所述的特定盐为质量比为1:0.5-8的氯化钠、或氯化钾。

所述的前驱体粉末为30-1000目。

所述的分离提纯为用稀盐酸或氢氟酸清洗过滤一次后，反复用去离子水洗涤，并以布氏漏斗抽滤。