[发明专利]杂原子掺杂生物质多孔碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及杂原子掺杂生物质多孔碳材料的制备方法及其应用。步骤包括：配制质量比为1：1的ZnCl₂/KCl溶液，向其加入用于杂原子掺杂的无机盐，将生物质加入上述混合溶液，浸泡后冷冻干燥得产物1；将产物1放入管式炉中，通入惰性气体后高温煅烧，用蒸馏水离心清洗后，得最终产物：杂原子掺杂生物质多孔碳材料。本发明通过控制制备条件，达到优化生物质衍生多孔碳材料的孔结构的目的，通过控制制备条件来调控多孔材料的比表面积和孔结构，提高其电化学性能；通过利用杂原子对生物质衍生多孔碳的掺杂，提高其电子导电性和表面润湿性，从而提高电极材料的倍率性能和比容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及杂原子掺杂生物质多孔碳材料的制备方法及其应用。

背景技术

现今，能源危机、环境污染、全球变暖都与当今社会对不可再生资源(煤炭、石油等化石能源)的严重依赖有关。因此，开发和利用绿色可持续能源(风能、太阳能、潮汐能等)已变得十分迫切。然而，与不可再生能源相比，可再生能源不能直接大规模存储，因此发展高效、稳定的、可持续的能源转换与存储技术成为近几十年来的研究热点。

在众多储能系统中，锂离子电池被看成是最有前景的二次电池之一。由于其能量密度高、循环寿命长等优点，被广泛应用于电动汽车、便携式设备、电网存储等领域。电极材料是储能器件的重要组成部分，它决定着储能器件的电化学性能的好坏以及成本的高低。正极主要由金属Co、Ni化合物组成的关键材料，然而其储量有限，价格稍高，这影响着锂离子电池的应用成本。相对来说，负极材料的选择直接影响电池的成本和应用范围，因此开发性能好、成本低的锂离子电池负极材料是研究的重点。

理想的负极材料一般满足以下几点：(1)比表面积高，电荷存储能量强，有利于电解液对材料的接触，加快离子的传输；(2)合理的孔结构，优化离子扩散的扩散路径，使电解液有效浸润电极，增多材料活性位点，增强电荷存储能力，提高容量；(3)结构稳定，在测试过程中体积变化小，使循环寿命增强；(4)价格低廉，产量高，制备方法简单，有利于商业大规模应用。

目前商业化的锂离子电池主要采用石墨作为负极材料，然而石墨的倍率性能低、理论比容量低(372mA·h·g^-1)、锂离子脱嵌速度差及长期循环稳定性差等因素使其发展受限。

生物质衍生多孔碳是以生物质(稻壳、米糠、秸秆等)为前驱体制备得到的，其优势是具有丰富的多孔形貌，比表面积大、比容量高且资源丰富、成本低等。但由于其孔隙结构发达，致使多孔碳的堆积比重下降，从而限制了其电子导电性，使倍率性能和比容量减小。由此可见，提高生物质衍生多孔碳的导电率以及提高其作为锂离子电池负极的倍率性能和比容量是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供杂原子掺杂生物质多孔碳材料的制备方法及其应用,用于解决生物质衍生多孔碳作为锂离子电池负极材料，由于其孔隙结构发达，致使多孔碳的堆积比重下降，从而限制了其电子导电性，使倍率性能和比容量减小的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

杂原子掺杂生物质多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.配制质量比为1：1的ZnCl₂/KCl溶液，向其加入杂原子掺杂的无机盐，将一定量的生物质加入上述混合溶液，浸泡后冷冻干燥得产物1；

步骤二.将产物1放入管式炉中，通入惰性气体后高温煅烧，产物用蒸馏水离心清洗，得最终产物：杂原子掺杂生物质多孔碳材料。

进一步地，步骤一中，生物质以下中的至少一种：麦麸粉、紫菜、玉米须粉、羽毛。

进一步地，步骤一中，用于杂原子掺杂的无机盐以下中的至少一种：硼酸、磷酸、硫化物、铵盐。

进一步地，步骤二中，高温煅烧温度为600～1000℃，煅烧时间为1～2h。