[發明專利]植物材料制備微孔碳結構電極材料的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201710347383.3
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN107154498B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 王春棟;敖翔;江建軍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/96
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明提供了一種微孔碳結構的高性能電極材料及綠色制備方法與應用，屬于新一代能源存儲領域。本發明的方法包括下述步驟：一、將富含纖維素植物分別置于水和乙醇中煮沸多次以去除其中的蛋白質、脂肪、蔗糖有機物；二、加熱烘干后將其在保護氣體的氛圍下高溫煅燒后使其自然降溫得到微孔碳材料；三、在硫酸和硝酸的混合液中持續攪拌10?20分鐘實現表面功能化。本發明方法創造性的使用了富含纖維素植物殘渣來制備電極材料，酸液可重復利用，制備過程簡單無污染，可用于大規模生產，并且所制備電極材料性能優異，可與石墨烯材料的鋰離子存儲性能相媲美，具有很高的實用價值，因而有機會取代商業石墨成為新型的鋰離子電池電極材料。

技術領域

本發明屬于材料與電化學儲能器件領域，更具體地，涉及一種植物材料制備的微孔碳結構的電極材料。

背景技術

隨著現代生活和工業生產對化石燃料的需求和消耗不斷增加，人類的生存環境正面臨著嚴峻的考驗，這也刺激著人們不斷去探索開發清潔可再生能源，而對于太陽能、風能等最常用的可再生能源都是間歇性的，無法連續不斷的提高能量，因此需要發展高效率能源存儲技術在供能充足時儲備能量用于再供能不足時提供能量。

二次鋰離子電池作為一種高性能的能源存儲器件近年來得到了迅速的發展，并被廣泛應用于各種便攜式電子設備及電動汽車當中，同時人們的現代化快節奏的生活對能源存儲器件的需求也越來越大，因此研發高性能的鋰離子電池電極材料顯得尤其重要。石墨作為目前商業鋰離子電池所用的傳統負極材料，在使用過程中面臨的主要問題在于比容量低并且循環衰減快，因此需要發展其他的高性能低成本低污染的電極材料來取代傳統的商業石墨電極。碳材料由于具有高導電性，容易制備多孔結構而具有大的比表面積，以及化學穩定性等多重優點而被認為是極具發展潛力的電極材料。例如Long Qie等采用氧化劑模板誘導聚合方法，利用吡咯單體合成了多孔碳纖維網絡結構，具備超高的比容量以及優異的循環穩定性，但其缺點所需原材料貴，難以實現商業化應用(Adv.Mater.2012,24,2047–2050)；Zhiqiang Xie等采用金屬有機物框架(MOF)和石墨烯合成了多孔碳納米球生長在石墨烯片上的三明治結構，同樣的，雖然其具有優異的性能和新穎的結構，但復制的制備工藝使其無法滿足商業化的應用(ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,10324-10333)。基于上述方案的優點及缺點，本專利提供了更加實際可行的制備方法來獲得高性能的鋰離子電池負極材料，不僅低成本，且對環境無污染。

發明內容

本發明的目的在于提供一種植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料及制備方法和應用。該植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料具有優異性能，且制備過程簡單綠色無污染并，能夠實現自然廢棄物的再利用，在發揮商業價值的同時能夠節約資源并有利于環境保護。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種植物材料制備的微孔碳結構的高性能電極材料，該電極材料由以下步驟制備得到：

步驟一：除去富含纖維素植物當中的殘留的糖分：

將富含纖維素植物切成長度為3-5厘米的小段，在純凈的去離子水中沸煮1-2小時，然后在乙醇中沸煮1-2小時，如此重復2-3次，以除去其中殘留的糖分，之后在80-100度的烘箱中干燥8小時以上；

步驟二：碳化：

將上述步驟一中獲得的干燥的富含纖維素植物殘渣在保護氣體的氛圍下加熱到900-1100℃并保溫4-5小時后自然冷卻，得到多微孔的碳材料；

步驟三：表面功能化：

將所述步驟二制備的多微孔碳材料浸泡在在強酸下高溫處理，使碳表面添加活性官能團，過濾并洗滌，干燥后即得到微孔碳結構的高性能電極材料。

優選地，步驟三中干燥后得到的微孔碳結構的高性能電極材料疏松多孔，孔徑為2-5微米。