[发明专利]一种长循环锂离子电池用硫掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备工艺

说明书

本发明公开了一种长循环锂离子电池用硫掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备工艺，将生物质渣类废弃物用稀硫酸和酒精依次清洗干净，干燥后球磨得到粉状A；向粉状A中加入硫酸溶液，并搅拌得到B；将B转移至水热感应釜内，并加入铜箔作为感应源，将水热感应釜移入水热感应加热设备中反应，然后冷却到室温，取出铜箔，将所得产物刮下经去离子水和乙醇清洗抽滤后，烘干得C；将C、活化剂和硫源混合研磨得到D；将粉状D在保护气氛下，以10℃/min的升温速率升至350℃，保温1h，再以3℃/min的升温速率升至500～700℃并保温1～2h，冷却至室温，所得产物经稀硫酸和乙醇清洗离心后，烘干，即得到硫掺杂生物质多孔碳纳米材料。

技术领域

本发明属于生物质碳材料的制备领域，具体涉及一种长循环锂离子电池用硫掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备工艺。

背景技术

生物质能是人类赖以生存的重要能源之一，在整个能源体系中占据重要地位。由于人类过分开采导致化石能源逐步面临枯竭，绿色环保的新能源及其材料的研究、开发更是刻不容缓。由生物质材料制备成的生物质碳具有质量轻、孔隙结构丰富、比表面积大、结构稳定性好和导电性优异等特性，在锂离子电池、超级电容器、气体吸附与分离，水体净化等前沿科技领域具有广泛的应用。

将生物质碳材料应用于锂离子电池负极已经有诸多研究。在多孔生物质碳材料中引入杂原子，如氮、硫、磷或硼等可以显著地改善其电化学、机械或导电性能。特别是硫元素可部分取代碳元素，改变生物质碳的形貌结构，提供更大的空间来减少体积膨胀并降低锂离子的吸附能，提高电池容量。在充放电过程中，硫与碱性离子反应相比氧更可逆，所以当硫掺杂生物质碳后，锂离子电池的可逆容量也明显提升。且硫掺杂后，可以降低生物质碳的氧官能团，从而减少SEI膜形成过程中不可逆锂离子消耗，提升库伦效率。因此，硫掺杂可提高锂离子吸附能力，提高比容量，提高结构稳定性，延长循环寿命。

现有技术中，硫掺杂生物质碳作为锂离子电池电极材料逐渐成为一个研究热点。例如，Yun等([J].Journal of Materials Chemistry A,2016,4:14324-33.)选用丝瓜为原材料(含有少量硫元素)，在400℃的管式炉中以5℃ min^-1的加热速率碳化2h，将所得材料与氢氧化钾研磨后浸入乙醇和蒸馏水的混合物中，然后在室温下静浸泡12h。随后，将混合溶液在110℃下干燥10h，然后在800℃的管式炉中以5℃ min^-1的加热速率活化90min得到样品。该方法制得产物掺硫量不可控，且循环寿命短。Hao等([J].Journal of MaterialsChemistry A,2017,5:2204-2214.)以银杏树叶(含有少量硫元素)为生物质原材料，将2.0g处理过的银杏叶片和38mL的2M硫酸溶液混合在45mL不锈钢高压釜中，将釜置于250℃干燥箱中12h，然后冷却至室温。所得固体产物和KOH在研磨1小时，放入管式炉中700℃温度下碳化1小时得到样品。该方法中的缺点是原材料不是生物质废弃物且资源有限，硫的量不易控制。故开发一种原材料来源广泛，成本低廉，电化学性能优异且简单可控、重复性好的工艺来制备硫掺杂多孔碳纳米材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长循环锂离子电池用硫掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备工艺，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明制备的电极材料应用于锂离子电池中，不仅具有优异的电化学性能，而且具有变废为宝，绿色环保的经济效益。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种长循环锂离子电池用硫掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)将生物质渣类废弃物用稀硫酸和酒精依次清洗干净，干燥后球磨得到粉状A；

2)向粉状A中加入硫酸溶液，并搅拌得到B；