[發(fā)明專利]一種羥基氧化鐵/生物質(zhì)碳鈉離子電池用自支撐負(fù)極的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710262999.0
• 申請(qǐng)日: 2017-04-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107039635B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃劍鋒;李瑞梓;李春光;李嘉胤;何元元;黨歡;焦冰玉;陳文卓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/139
• 分類號(hào): H01M4/139;H01M4/13;H01M10/054
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 齊書(shū)田

本發(fā)明公開(kāi)了一種羥基氧化鐵/生物質(zhì)碳鈉離子電池用自支撐負(fù)極的制備方法，將生物質(zhì)預(yù)制體清洗干凈后進(jìn)行冷凍干燥，加入濃磷酸后進(jìn)行水熱反應(yīng)，得生物質(zhì)前驅(qū)體；然后將生物質(zhì)前驅(qū)體抽濾烘干后與NaOH固體按一定的質(zhì)量比例混合均勻后在管式氣氛爐中碳化，得碳化產(chǎn)物；將碳化產(chǎn)物進(jìn)行洗滌抽濾，干燥研磨后得到生物質(zhì)碳粉，將碳粉壓制成片，最后利用水熱感應(yīng)加熱技術(shù)合成羥基氧化鐵/生物質(zhì)碳鈉離子電池用自支撐負(fù)極。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是繼承了生物質(zhì)原有的多孔結(jié)構(gòu)及蜂窩狀特性，具有較大的比表面積和較低的自身內(nèi)阻，為鈉離子的快速傳輸提供條件，增大材料的容量，可以顯著改善材料的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈉離子電池負(fù)極制備領(lǐng)域，具體涉及一種羥基氧化鐵/生物質(zhì)碳鈉離子電池用自支撐負(fù)極的制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于便攜式電子市場(chǎng)。但隨著交通工具以及大型電力系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)對(duì)鋰離子電池依賴的加劇，全球的鋰資源將無(wú)法有效滿足動(dòng)力鋰離子電池的巨大需求，從而將進(jìn)一步推高與鋰相關(guān)材料的價(jià)格，增大電池成本，最終阻礙新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)其它廉價(jià)可替代鋰離子電池的相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)非常關(guān)鍵。鈉在地球中蘊(yùn)藏量比鋰要高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，且分布廣泛，因此用鈉離子電池代替鋰離子電池能緩解鋰的資源短缺問(wèn)題。同時(shí)，鈉元素和鋰元素位于元素周期表的同一主族，具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，而且鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的工作原理，使得在這兩個(gè)體系中運(yùn)用相似的化合物作為電極成為可能。但是由于鈉離子的半徑比鋰離子的大，導(dǎo)致可逆容量和倍率性能降低。鈉離子電池研究的關(guān)鍵在于新型高性能電極的開(kāi)發(fā)，基于鋰離子電池的成功經(jīng)驗(yàn)，目前的研究主要集中在正極上，如果提升對(duì)負(fù)極的研究將會(huì)大大提高鈉離子電池的性能。

目前的生物質(zhì)原料為生產(chǎn)、生活廢棄物，來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，且生物質(zhì)本身具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)及呈蜂窩狀特性，是優(yōu)良生物碳制備的前軀體，具有較大半徑的有機(jī)質(zhì)體不僅可以有效增大材料的層間距，為鈉離子的快速傳輸提供條件，增大電池的容量，還可以形成分子內(nèi)氫鍵，穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。若能將廢棄的生物質(zhì)加以回收利用，制備鈉離子電池負(fù)極用生物碳，不僅可以降低電池生產(chǎn)成本，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以減少因固體垃圾帶來(lái)的環(huán)境污染，具有非常廣泛的用途和研究前景。

目前制備生物碳的方法主要有是高溫碳化法。常見(jiàn)的高溫碳化法需要在空氣中活化，或者需要浸漬活化的過(guò)程，存在反應(yīng)過(guò)程耗能高、不易控制、反應(yīng)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，所以尋找一種簡(jiǎn)單、易控、快速合成生物質(zhì)碳的方法，對(duì)高性能鈉離子電池負(fù)極的研究和開(kāi)發(fā)具有重大的意義。

羥基氧化鐵(a-FeOOH)是一種含水氧化鐵礦物，具有表面羥基密集、價(jià)廉易得、對(duì)有機(jī)物有一定的吸附能力和較好的分解作用等特性。納米羥基氧化鐵因其具有較大的比表面積，以及在多方面展現(xiàn)出的優(yōu)異性質(zhì)而越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。近期，人們?yōu)榱双@得納米羥基氧化鐵，做出了不懈的努力，如在“介孔結(jié)構(gòu)的a-FeOOH對(duì)苯酚的催化臭氧化降解”(無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，第25卷第9期，2009年9月，曹玉明等)一文第1595 1600頁(yè)公開(kāi)了一種羥基氧化鐵和其制備方法。該文中提及的羥基氧化鐵的形貌為納米棒狀，其棒長(zhǎng)為70l00nm、棒外徑為13 20nm,棒上具有6 10nm的內(nèi)部介孔，棒的BET比表面積為132m2.g—1；制備方法采用水熱法，以硫酸亞鐵和雙氧水為原料，在密閉狀態(tài)于150℃下反應(yīng)6h后，經(jīng)分離、洗滌和干燥的處理得到一維棒狀羥基氧化鐵。但是，無(wú)論是羥基氧化鐵，還是其制備方法，都存在著欠缺之處，首先，最終產(chǎn)物——棒狀納米羥基氧化鐵的尺寸偏小，力口之棒狀的形貌使其更易團(tuán)聚，極不利于將其用于對(duì)有機(jī)物的吸附和分解；其次，制備方法所用的原料雙氧水的價(jià)格較高，反應(yīng)時(shí)的溫度和時(shí)間也過(guò)高和過(guò)長(zhǎng)，致使生產(chǎn)的成本難以降低，不利于最終產(chǎn)物的商業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種羥基氧化鐵/生物質(zhì)碳鈉離子電池用自支撐負(fù)極的制備方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明可以制備出具有三維多孔連通的納米結(jié)構(gòu)，較大的比表面積和自身內(nèi)阻小的鈉離子電池用自支撐負(fù)極。