[发明专利]纳米碳材复合生物质硬碳电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米碳材复合生物质硬碳电极材料的制备方法，以生物质为原料，初步破碎，清洗干燥；用碱溶液加热处理，清洗干燥后第二次破碎，再用酸溶液加热处理，除去多余无机盐杂质成分，清洗干燥；加入氧化石墨烯、碳纳米管的均匀分散酸液，搅拌混合均匀，微波水热法处理，干燥后第三次破碎，得到复合生物质硬碳前驱体；在惰性气氛保护下对复合生物质硬碳前驱体进行低温预碳化和高温处理，得到复合生物质硬碳材料；此纳米碳材复合生物质硬碳材料，通过控制热解速度来调整碳结构的交联度，从而对孔的分布、数量、尺寸等进行调整；通过添加石墨烯和碳纳米管，以提高材料的比表面积、导电性、导热性和增强结构稳定性。

技术领域：

本发明涉及电化学储能领域，具体涉及一种纳米碳材复合生物质硬碳电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

电化学储能器件在清洁能源的储存和利用方面具有很重要的地位，在汽车工业、航空航天、电力电网、军用装备、移动通讯以及微电子等领域受到广泛的应用。碳材料具有原料丰富、价格低廉、合成简单、化学性能稳定、工作电位低和工作温度范围宽等特点，适用作电化学储能器件的电极材料。

生物质结构疏松、原生孔隙结构发达，在炭化处理后得到的碳材料可继承其部分孔径结构。生物质碳材料具有来源广泛、工艺方法简单、成本较低、绿色环保、比表面积大、化学稳定性高等特点。然而，在热解制备生物质碳材料的过程中，碳原子易发生团聚，材料的活性位点减少。目前，生物质硬碳存在不可逆容量大、首次效率低和放电电压低等缺点，极大地限制了其在储能方面的应用。

发明内容：

针对现有技术的缺乏和不足，本发明提供一种纳米碳材复合生物质硬碳电极材料，具有较大比表面积、较高导电性、较高比容量及良好的倍率性能，储能性能优异，可广泛用于电化学储能领域

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的，一种纳米碳材复合生物质硬碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：

a、将生物质原料进行清洗，并置于60-120℃下干燥，干燥后进行初步破碎得到16-60目颗粒物A；

b、将颗粒物A投入浓度为1-5mol/L的碱溶液中，在90-120℃下加热搅拌处理1-12h，然后用去离子水冲洗、抽滤或离心直至混合液呈中性，然后进行固液分离，分离后在60-120℃下干燥固态物质，并进行第二次破碎后得到100-400目粉体B；

c、将粉体B投入浓度为1-5mol/L的酸溶液中，在90-120℃加热搅拌处理1-12h，然后用去离子水冲洗、抽滤或离心直至混合液呈中性，然后进行固液分离，分离后在60-120℃下干燥固态物质，得到粉体C；

d、将粉体C与分散液D搅拌混合均匀，置于微波反应釜中，微波功率为0.4-1kW，在密闭状态中100-220℃下进行微波水热反应0.5-2h，然后在60-120℃下干燥后经第三次破碎得到1000-2000目复合生物质硬碳前驱体E；

e、将复合生物质硬碳前驱体E在氮气或氩气惰性气氛保护下，以加热速度1-20℃/min，先在300-650℃进行低温预碳化1-6h，得到复合生物质预碳化料F；

f、再将复合生物质预碳化料F在氮气或氩气惰性气氛保护下，以加热速度1-20℃/min，在850-1500℃高温下处理1-6h，得到复合生物质硬碳材料G；

g、将复合生物质硬碳材料G按照质量比95:5的比例加入溶解于N-甲基吡咯烷酮的PVDF，混合均匀得到复合生物质硬碳电极材料H，其中PVDF的NMP溶液的质量分数为0.9-5％。

优选的，所述生物质为椰壳、秸秆、竹秆、烟秆中的一种或多种。

优选的，所述步骤d中的分散液D由氧化石墨烯，碳纳米管及PVP按照质量比为1～10:1～10:0.1～1进行混合，具体以PVP表面活性剂为分散剂，搅拌或超声方式制备氧化石墨烯、碳纳米管在0.05-1mol/L稀酸中的均匀分散液D。