[发明专利]一种高容量钠离子电池用氟掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高容量钠离子电池用氟掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备方法，首先将水藻类废弃物清洗干净，冷冻干燥，再研磨得到粉状A；向粉状A中加入氢氟酸溶液，并采用超声处理得混合物B；向混合物B转移至水热感应釜内，并加入碳布作为感应源，将水热感应釜移入水热感应加热设备中反应，结束后冷却到室温，取出碳布，将所得产物刮下经清洗抽滤后，烘干得粉状C；将粉状C与造孔剂混合后升温反应，然后冷却至室温，将所得产物清洗抽滤后，烘干得粉状D；将粉状D与氟源混合后升温反应，结束后冷却至室温，将所得产物经清洗抽滤后烘干，得到氟掺杂生物质多孔碳纳米材料。

技术领域

本发明属于钠离子电池负极材料的制备领域，具体涉及一种高容量钠离子电池用氟掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池已经广泛进入人们的日常生活当中。面对日益增长的锂离子电池需求，地球上可开采的锂矿面临着资源枯竭的情况,从可持续发展的角度出发,寻求新型电池是发展的必然。钠元素与锂元素处于同一主族，性质相似,钠元素的地球丰度是锂元素的400多倍，因此开发新型钠离子电池是一种大势所趋。其中钠离子电池负极材料的研究已经成为热点。

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性能，可将其应用于钠离子电池负极材料。现有的研究表明生物质碳作为钠离子电池负极材料其电容量和倍率性能有待提升。向生物质碳材料中引入杂质原子已成为一种提升电化学性能的有效方法。

在多孔生物质碳材料中引入杂原子，如氮、硫、磷或氟等可以显著地改善其电化学、机械或导电性能。特别是氟元素可部分取代碳元素，改变生物质碳的形貌结构，为钠离子的插层过程提供更大的空间，并能减少体积膨胀并降低钠离子的吸附能，提高钠离子电池容量。掺氟后可提高钠离子扩散速率，电子传输性能，有利于提升导电性，从而提升钠离子电池的倍率性能。例如，Wang等人([J].The Journal of Physical Chemistry C,2015,119(37):21336-21344.)采用莲花棒(含有微量氟)为原材料，将1.25g干燥的莲花棒，放入充满氩气气氛的管式炉，中以5℃/min的升温速率升至加热至1100℃，并保温5h，冷却至室温后，5M的KOH和2M的HCl中在60℃下搅拌清洗，清洗后样品在120℃的真空箱中保温12h；最后将清洗后的碳在300℃，空气气氛的管式炉中活化5小时，将所得样品用2M的HCl洗涤三次得到产物。将产物应用于钠离子电池负极，在50mA g^-1的电流密度下，容量为230mA h g-¹。该工艺过程复杂，能耗大，原材料不是生物质废弃物成本高，含氟量不可控，且容量低。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氟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高容量钠离子电池用氟掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备方法，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钠离子电池中，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：

一种高容量钠离子电池用氟掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将水藻类废弃物用氢氟酸溶液和酒精依次清洗干净，冷冻干燥，再研磨得到粉状A；

2)向粉状A中加入氢氟酸溶液，并采用超声处理得混合物B；

3)向混合物B转移至水热感应釜内，并加入碳布作为感应源，将水热感应釜移入水热感应加热设备中，以300～600KHz的感应频率由室温升温到120～150℃，并保温20～50min，然后冷却到室温，取出碳布，将所得产物刮下经去离子水和乙醇清洗抽滤后，烘干得粉状C；

4)将粉状C与造孔剂混合后升至500℃，并保温1～2h，冷却至室温，将所得产物依次经氢氟酸溶液和乙醇清洗抽滤后，烘干得粉状D；