[發明專利]一種以菌渣廢料制備鋰離子碳負極材料的方法

有效

• 申請號: 201710971891.9
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107739031B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 唐晶晶;周向陽;廖群超;楊娟;李晨;蔣敏;王倩
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C01B32/342
• 分類號: C01B32/342;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發明涉及一種以菌渣廢料為原料制備多元摻雜層次孔碳的方法，并將其應用于鋰電池負極材料。步驟包括：將單種菌渣廢料干燥、球磨后，與金屬鹽和無機堿進行混合并高溫煅燒處理，然后用無機酸除去金屬雜質，得到多元摻雜的層次孔碳。本發明制備得到的層次孔碳具有多元素摻雜，同時存在豐富的微孔、介孔和大孔，特別適合應用于鋰離子負極材料。本發明原料來源廣泛、工藝簡單、操作方便、成本低、所得產品性能優良、易于擴大化生產。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，尤其涉及一種以菌渣廢料為原料制備鋰離子電池用碳負極材料的方法。

背景技術

鋰離子電池作為一種綠色儲能器件，具有能量密度大、開路電壓高、綠色環保等一系列的優勢，已被廣泛應用于便攜式電子器件中，比如手機、筆記本、便攜式攝影機等。石墨類碳材料是目前鋰離子電池主要的商業化負極材料，但是由于石墨本身的理論比容量只有372mAh g^-1，難以滿足未來高能量密度的需求。有研究表明，碳材料的多孔化和元素摻雜，能夠為鋰離子提供更多的活性位點，從而有效地提高碳質材料的可逆比容量。中國專利CN104332596報道了采用三聚氰胺、苯二甲醛、碳納米管和二甲基亞砜為原料，采用真空熱處理方法，制備出氮摻雜的多孔碳/碳納米管復合材料。Huawei Song等人以有機物為前驅體，利用模板法，制備出氮摻雜的多孔碳(Acs Applied MaterialsInterfaces,2014,6(23):21661-8.)。以上材料作為鋰離子電池負極材料時，均表現出較高的比容量。然而，現有的技術中，制備元素摻雜的多孔碳材料通常需要特殊的碳源和摻雜元素前驅體為原料，使得成本昂貴，操作復雜，限制了其在大規模生產中的使用。

抗生素菌渣是伴隨著抗生素生產而產生的一種廢料，包括土霉素菌渣、青霉素菌渣、頭孢菌素菌渣等，其主要成分是粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、氨基酸等，含有大量的碳、氮、氧元素以及少量的金屬元素，如鈣、鐵、鋅、鎂等。我國是抗生素大國，每年會產生大量的菌渣廢料。為了防止它的大量堆積，主要采取焚燒和掩埋的措施處理，然而焚燒產生的煙塵會污染空氣，掩埋使其溶于地下水，造成水污染。同時上述兩種處理方法也是對“資源”的浪費。如何有效、合理地處理這些菌渣廢料成為目前亟待處理的問題。事實上，菌渣由于含有40％以上的碳組分，適合于通過煅燒來獲得具有一定功能的碳材料，而菌渣中含有的一定比例的氮、磷等元素，可以直接作為有益摻雜元素的來源。到目前為止，以菌渣廢料為原料制備鋰離子碳負極材料的相關技術還鮮有報道。

發明內容

本發明主要目的是解決目前的技術問題，提供一種簡單的方法，以菌渣廢料為原料，制備具有多元摻雜的層次孔碳作為鋰離子電池負極材料。

本發明一種以菌渣廢料制備鋰離子碳負極材料的方法，包括下述步驟；

步驟一

將干燥的菌渣粉末與金屬鹽和無機堿混合均勻，得到混合物；所述混合物中，干燥的菌渣粉末、金屬鹽、無機堿的質量比為15～2:1:1～8；所述菌渣粉末選自土霉素菌渣粉末、頭孢菌素菌渣粉末、青霉素菌渣粉末中的一種；

步驟二

在保護氣氛下，對步驟一所得混合物進行高溫煅燒；得到碳化后的混合物；所述高溫煅燒的溫度為700～1100℃；

步驟三

將步驟二所得碳化后的混合物置于含無機酸的溶液中浸泡至少6h后，過濾，得到濾渣，清洗濾渣，直至洗液的pH至為6-8；得到半成品；所得半成品經烘干后，得到具有多元素摻雜的層次孔碳負極材料，即得到所述的鋰離子碳負極材料。

本發明一種以菌渣廢料制備鋰離子碳負極材料的方法，所述干燥的菌渣粉末中，碳含量在20～50wt％，氮含量在5～15wt％，氧含量在10～30wt％，磷含量在0.1～15wt％，硫含量在0.1～15wt％；

本發明一種以菌渣廢料制備鋰離子碳負極材料的方法，所述干燥的菌渣粉末是通過下述方案制備的：