[发明专利]一种表面包覆处理的天然球形石墨及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种表面包覆处理的天然球形石墨及其制备方法和应用，选用自然界丰富易得的有机物壳聚糖作为包覆剂，甲醛作为交联剂，将壳聚糖均匀包覆在天然球形石墨的表面，然后经过水热炭化和氨气活化处理，得到壳聚糖衍生炭层包覆的天然球形石墨。表面包覆处理的天然球形石墨具有高的比表面积和高的电化学性能，适用于锂离子电池负极材料以及燃料电池关键电极材料等。该天然石墨表面包覆方法具有成本低，简单易行，且无环境污染，可以实现大规模工业化生产等特点。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种表面包覆处理的天然球形石墨及其制备方法和应用，壳聚糖衍生炭层表面包覆处理后的天然球形石墨，具有优异的燃料电池电极活性和锂离子电池负极性能，可用作燃料电池和锂离子电池的关键电极材料。

背景技术

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭和人类社会对能源需求的增加，先进的能量转化和储存技术是建立新的能源生产供应体系的难点，如何在未来发展一个绿色可持续的新能源是目前全世界面对的共同问题。随着更多的新能源，例如太阳能、风能、地热能、生物质能等的开发和利用，对于新的能源转换和存储装置的要求和需求也大大提高。燃料电池和锂离子电池分别作为新的能量转换和存储装置，降低使用成本，增加其能量密度已然成为了研究的出发点。

燃料电池阴极氧气还原反应能垒较高，需要高效的催化剂降低反应活化能，提高反应速率。目前，贵金属铂基催化剂由于其高的电催化活性广泛应用于氧气还原反应，然而其成本较高，且储量有限，限制了燃料电池技术的商业化应用。因此，开发价格低廉，并且具有高活性、高稳定性的非铂催化剂具有重要意义。对于锂离子电池，能量密度很大程度上依赖于负极材料，天然石墨具有结晶度高、导电性好且价格低廉等特点，是目前锂离子电池应用中较广的负极材料，但是石墨的理论容量只有372 mA h/g，且对电解液的相容性不好，充放电过程中常发生溶剂分子与锂离子共嵌入石墨层，造成石墨层膨胀剥落，从而降低电池容量和寿命。因此，对石墨材料进行修饰和改性可有效提高石墨负极的性能。

壳聚糖是自然界唯一的碱性多糖，具有来源广泛，价格低廉等特点。壳聚糖分子内存在大量的氨基和羧基使其性质比较活泼，基团之间发生作用易发生化学反应。本发明采用在酸性体系下将壳聚糖均匀地包覆到天然球形石墨表面，经过水热碳化，高温氨气活化制备出了壳聚糖衍生炭层包覆的天然石墨。该天然石墨表面包覆方法具有成本低，简单易行，且无环境污染，可以实现大规模生产等特点。经过表面改性处理后，天然球形石墨的电化学活性显著提高，适用于作燃料电池电极材料和锂离子电池负极材料等。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种表面包覆处理的天然球形石墨及其制备方法和应用。本发明的包覆方法具有成本低，操作工艺简单，且无环境污染，易于工业化生产等特点。经过表面改性处理后的天然球形石墨的电化学活性显著提高，适用于作燃料电池阴极催化剂和锂离子电池负极材料等。

为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种表面包覆处理的天然球形石墨，其表面为壳聚糖形成的碳壳层，内核为天然球形石墨，两者紧密复合形成结构稳定的炭-炭复合材料，即得到所述的表面包覆处理的天然球形石墨。

在本发明的优选的实施方式中，所述天然球形石墨的粒径尺寸为1~10微米。

在本发明的优选的实施方式中，所述碳壳层的厚度为40~100 nm。

本发明还保护上述表面包覆处理的天然球形石墨的制备方法，以天然球形石墨为核层材料，壳聚糖为壳层包覆物质，将壳聚糖均匀包覆球形石墨表面，然后经过水热处理将壳聚糖碳化，再在氨气下高温活化得到炭化产物，最终得到表面改性的天然球形石墨。经过包覆处理的天然石墨材料具有高的电化学性能，适用于燃料电池关键电极材料以及锂离子电池负极材料。

在本发明的优选的实施方式中，采用交联剂将壳聚糖均匀包覆球形石墨表面。