[发明专利]一种含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料及其制备方法，所述方法包括先对植物原料进行低温脱水，然后高温碳化获得初级生物质碳粉料，经过除杂之后得到最终的生物质碳粉料，将生物质碳粉料与含氮石墨烯前驱体聚合物溶液按照一定的质量配比混合均匀，加热搅拌后得到的微固化交联的浆料采用喷雾干燥除去溶剂，再经过气流磨等手段进行颗粒整形，高温煅烧制备得到含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料。该制备方法绿色环保，工艺简单，原料来源广泛，成本低廉，制备的含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料具有极佳的大电流充放电性能，优良的循环稳定性，高的首次库伦效率和充放电比容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及的是一种含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池，作为一种二次电池，通过锂离子在正负极之间的迁移传输、插入和脱出来实现电能的储存和电能的释放。随着混合动力汽车、纯电动汽车的出现和逐步普及，引发了对高能量密度、高安全性、成本低廉、长循环寿命、绿色环保的下一代锂离子电池的迫切需要。

氮掺杂石墨烯，在石墨烯晶格中引入氮元素的掺杂，改变石墨烯中电子分布状态，使石墨烯表现出更好的电化学性能，氮掺杂使得石墨烯结构呈现出无序、透明、褶皱的薄纱状结构，石墨烯晶格上均匀分布的氮单原子的引入能与锂离子结合，形成氮化锂，从而抑制锂枝晶的形成，这使得将石墨烯应用于锂离子电池能够获得良好的循环稳定性和高的比容量。

负极材料是锂离子电池的核心材料之一，石墨作为锂离子电池负极材料的主流材料，由于其近乎完美的片层结构，能够很好地与锂离子形成石墨层间化合物，被广泛的用于锂离子电池负极材料，但由于石墨的片层结构，导致锂离子电池电解液中碳酸丙烯酯共嵌入石墨片层结构，导致其结构的破坏，从而降低了石墨负极材料的循环稳定性，同时天然石墨的各向异性结构使得其倍率性能较差。因此，稳定性更好的人造石墨，被用于动力电池，但人造石墨的比容量较低(350mAh/g)。同时，采用石油副产物针状焦和沥青作为原材料的人造石墨成本高，工艺复杂(包覆工艺严苛、烧结温度高达2600℃以上、原材料带有毒性)，使得人造石墨未来应用前景堪忧。

采用高分子聚合物如酚醛树脂、呋喃树脂、聚甲基丙烯酸树脂等高分子热解的碳材料，虽然具有500-700mAh/g的比容量，但由于首次效率低(80%)，循环稳定性差，仍然未大规模使用。

中国作为传统的农业大国，每年产生大量的农作物废料，以往采用传统的燃烧方式处理带来了严重的空气污染问题。目前，采用如竹子、秸秆等材料制备活性炭的技术已经得到广泛应用。

近年来，采用竹炭和木炭等生物质碳作为锂离子电池负极材料引起了研究人员的注意，竹炭作为锂离子电池材料具有约300-500mAh/g的比容量，首次效率达到了70%以上，但仍然存在着首次效率低、体积密度低等缺点。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料及其制备方法，旨在解决现有的锂离子电池负极材料循环稳定性不高，结构不稳定且不易加工的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料的制备方法，其中，包括步骤：

将生物质碳粉料与含氮石墨烯前驱体聚合物溶液热混合均匀，得到含氮石墨烯包覆生物质碳前驱体悬浊液浆料；

对所述前驱体悬浊液浆料进行喷雾干燥，得到含氮石墨烯包覆生物质碳前驱体粉末；

将所述含氮石墨烯包覆生物质碳前驱体粉末置于惰性气氛保护下高温煅烧制得含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料。

所述的含氮石墨烯包覆生物质碳负极材料的制备方法，其中，所述生物质碳粉料通过以下方法制备而成：