[发明专利]一种用于钠离子电池的生物质衍生炭材料的制备方法

说明书

本发明属于电化学和能源材料领域，公开了一种用于钠离子电池生物质衍生炭材料的制备方法。黄豆作为生物质炭源，KOH作为活化剂，经过高温煅烧后得到多孔的生物质衍生炭材料。黄豆为一种天然产物，来源广泛、蛋白质含量丰富含有大量的氮元素，可以形成天然的氮掺杂炭材料。同时，氮掺杂碳材料可以为Na⁺提供充足嵌钠空位，并在钠离子电池充放电过程中提供显著的赝电容进而提高电池的比容量。另外氮元素的掺杂还可以提高材料的导电性，提高离子传输效率。由KOH活化造成的多孔结构进一步扩大材料比表面积有利于电解液的浸润，增强离子、电子传输效率。拥有以上优点，该生物质衍生炭材料用作钠离子电池负极材料表现出较高的可逆比容量和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学和新能源材料领域，公开了一种用于钠离子电池生物质衍生炭材料的制备方法。

背景技术

传统化石燃料(煤、石油、天然气等)日渐枯竭，同时其燃烧所产生的环境污染问题如温室效应、酸雨等严重影响人民生活水平。国家正大力发展新能源(太阳能、风能、地热能等)去解决这些能源危机。然而这些新能源的应用往往受到自然条件的限制，具有随机性、间歇性、波动性和不能提供持续稳定的功率。因此如何高效便捷的储能成为了关键。众所周知，石墨因为具有平稳、较低的电压平台以及优秀的循环稳定性成为商业化锂离子电池负极材料。然而锂稀缺的资源、昂贵的价格及存在的安全问题，使得与锂表现出相似化学性质的钠得到了广泛的关注。因此，很多科研工作者致力于探索新型的碳基负极材料用于钠离子电池来代替锂离子电池。但是钠离子的半径比锂离子的半径大，不能轻易的嵌入到石墨层中，导致比容量偏低。钠离子电池碳负极材料研究的关键在于开发新型高性能电极材料，重点在于储钠机理的研究。

近来，可再生生物质因为物美价廉、易获得、高产、环境友好和具有令人满意的电化学性能获得广泛科研工作者的关注。在未来的能源储存设备中生物质材料因自身优势将会扮演越来越重要的角色。

迄今为止，已经有各种各样的生物质材料被研究制备成生物质衍生炭作为钠离子电池的负极材料并且均表现出优异的电化学性能，如海藻，柚子皮，苔藓，香蕉皮，胡桃核等。而黄豆作为一种草本植物，易于种植且高产，又含有大量的氮元素，是一种极好的生物质炭源，利用它来开发高比容量钠离子电池负极材料拥有较大的商业前景。

发明内容

本发明旨在制备简单易得、价格便宜、高性能的生物质炭材料作为钠离子电池负极材料，改善材料的容量、循环稳定性以及倍率性能，使得生物质炭具有一定的应用价值。

本发明的目的是提供一种用于钠离子电池生物质衍生炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将干燥黄豆放置于研磨机中研磨成粉状，接着在HCl溶液中浸泡以去除金属离子，然后用去离子水清洗粉末材料至中性；

(2)在步骤(1)所得材料中加入KOH溶液进行浸泡并不断搅拌，然后静置，倒去上清液留下沉淀部分，离心收集所需材料，在烘箱中烘干；

(3)将步骤(2)所得材料置于保护气氛围的管式炉下进行碳化，程序升温至煅烧温度，煅烧，煅烧完成后自然冷却到室温；

(4)将产物用HCl溶液和去离子水进行清洗，直至溶液成中性。最后离心分离置于烘箱中干燥得到生物质衍生炭材料。

步骤(1)中，浸泡时间为1h，步骤(2)中，浸泡时间为6～24h，烘干温度为100℃，烘干时间为12h。

进一步地，步骤(2)的浸泡时间为12h。

步骤(1)和(2)中，黄豆，HCl溶液，KOH溶液的用量比例为10g：30-50mL：30-100mL，其中，HCl溶液的体积百分浓度为5％，所述KOH溶液的浓度为10mol·L^-1。

进一步地，黄豆，HCl溶液，KOH溶液的用量比例为10g：50mL：50mL。