[發明專利]一種氮氧共摻雜生物質硬碳材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201911031915.8
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN110808179B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 鄧健秋;黃鳳彬;王鳳;劉鵬;姚青榮;周懷營
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/38;H01G11/04;H01G11/86;C01B32/05
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 趙徐平

本發明提供了一種氮氧共摻雜生物質硬碳材料，包括碳元素、氮元素、氧元素、鈣元素，上述四種元素的總量為100wt％計，碳元素占92?95％，氮元素占0.75?2.10％，氧元素占4.0?6.1％，鈣元素占0.25?0.80％。制備方法包括：將生物質材料洗凈烘干，粉碎機粉碎，振動篩過篩，得生物質材料粉末置于管式爐中，在惰性氣氛下進行燒結碳化，然后隨爐冷卻得最終產物。本發明合理利用生物質廢料，制備方法簡單、成本低廉，該材料有利于鉀離子的可逆脫嵌，從而獲得優異的電化學性能，將本發明制備的氮氧共摻雜生物質硬碳材料應用于制備的鉀離子電池和鉀離子混合電容器中，具有比容量高、倍率性能好、循環性能穩定的優點。

技術領域

本發明屬于電化學儲能技術領域，涉及一種氮氧共摻雜生物質硬碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度高、電壓高、使用壽命長等優勢，商業化應用以來已經成功地占據了便攜式電子產品市場，并不斷地拓展到電動汽車和大規模儲能領域，這種快速發展的趨勢令儲量有限，分布不均的鋰礦資源價格飆升，極大限制了鋰離子電池的進一步發展，因此，人們致力于發展儲量豐富、價格低廉，與鋰具有相似物化特性的鉀離子電池。混合離子電容器(HICs)作為電池和電容器的交叉產物，結合了兩者的優勢，具有高能量、高功率、高密度和長壽命的特性，有望在大規模儲能應用中大顯身手。

目前，對鉀離子電池和鉀離子混合電容器的研究尚處于初級階段，對于實際應用還存在很大的挑戰，實現高性能的鉀離子電池和鉀離子混合電容器急需找到一種具有快速鉀離子嵌入/脫嵌的負極材料。在已經報道的鉀離子電池和鉀離子混合電容器的電極材料中，生物質衍生的硬碳材料是最具應用前景的一類負極材料。

但是，硬碳材料存在慢的電荷傳輸動力學和穩定性較差的內部結構，使其導電性和儲鉀穩定性都受到了嚴重的制約，異質原子的引入可以增加硬碳材料的儲能活性位點，改善其電荷傳輸能力，為獲得滿足應用要求的硬碳材料，現有技術大多數采用外加氮源以及復雜的合成工藝，成本高，耗時耗力，不利于大規模應用。

因此，研發一種工藝簡單、成本低廉的高性能生物質硬碳材料及其制備方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種用于鉀離子電池和鉀離子混合電容器的氮氧共摻雜生物質硬碳材料及其制備方法。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明提供了一種氮氧共摻雜生物質硬碳材料，包括碳元素、氮元素、氧元素、鈣元素，以上述四種元素的總量為100wt％計，碳元素占92-95％，氮元素占0.75-2.10％，氧元素占4.0-6.1％，鈣元素占0.25-0.80％。

本發明的有益效果是：本發明的制備方法具有工藝簡單、成本低廉、適合工業生產等優點，制得的氮氧共摻雜生物質硬碳材料的儲鉀容量高，循環性能和倍率性能優異。硬碳材料具有豐富的納米級孔道結構，有利于鉀離子在材料中的可逆電化學脫嵌，提升材料的儲鉀循環性能和倍率性能。同時，氮氧共摻雜可以增加材料的電化學活性位點和擴寬層間距，有效提高硬碳材料優異的儲鉀性能，從而實現高性能的鉀離子電池和混合電容器。

本發明還提供了一種氮氧共摻雜生物質硬碳材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將生物質材料洗凈，60-120℃真空烘干5-24h，粉碎機粉碎，振動篩過篩，得生物質材料粉末；

(2)取步驟(1)所得生物質材料粉末置于管式爐中，在保護氣體下進行燒結碳化，然后隨爐冷卻至60℃以下，得氮氧共摻雜生物質硬碳材料。

進一步,上述生物質材料為芒果核殼、百香果皮、柿子粉中的任一種。

采用上述進一步技術方案的有益效果：本發明制備得的氧氮共摻生物質硬碳材料的宏觀形貌呈微納米棒狀或無規則顆粒狀結構，提供短的鉀離子的擴散和遷移距離，有效提升材料的電化學性能。

進一步,步驟(1)過篩目數為300-1000目。