[發明專利]一種荸薺衍生的氧摻雜碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011104635.8
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112299391A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 周小四;徐振樺
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王姍

一種荸薺衍生的氧摻雜碳材料及其制備方法和應用，屬于鉀離子電池材料技術領域。步驟如下：將荸薺切碎成小塊洗滌后瀝干水，在鹽酸中攪拌，然后用去離子水清洗、冷凍干燥；將所得產物置于管式爐中，在氬氣氣氛下，先在30℃保持30 min，之后以5℃/min的升溫速率分別升至500、700、900、1100、1300、1500℃熱解2 h，最終得到目標產物氧摻雜碳WC500、WC700、WC900、WC1100、WC1300、WC1500。所述產物倍率性能和循環穩定性優異，所述方法綠色簡單，所用原料成本低廉，適合于大規模生產。

技術領域

本發明涉及鉀離子電池材料技術領域，具體涉及一種荸薺衍生的氧摻雜碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，鋰離子電池（LIBs）已成功在便攜式設備（例如手機和筆記本電腦）和電動汽車等大規模儲能系統中商業化應用。由于鋰的稀缺性（0.0017 wt.%）且分布不均、成本高（$6500/ton）等因素的限制，LIBs無法滿足低成本、高能量密度、長循環壽命、快速充放電儲能設備的需求。而鉀資源相對豐富（2.09 wt.%），氧化還原電勢（?2.93 V）與鋰金屬相似且成本低廉（$1000/ton），鉀離子電池（PIBs）作為有前途的替代品之一，在儲能研究中受到廣泛的關注。目前，研究人員已經制備出金屬層狀氧化物、普魯士藍、聚陰離子化合物等多種鉀離子電池正極材料，而負極材料的發展卻相對緩慢。因此，尋找合適的負極材料成為當前發展鉀離子電池最重要的任務。碳材料作為前景廣闊的鉀離子電池負極材料具有價格便宜、無毒、穩定性好和耐用性高等優點。市面上廣泛應用的石墨作為鉀離子電池負極材料時可形成插層化合物KC₈，其理論容量為279 mAh·g^?1。此外，通過設計和制備的軟硬碳材料作為鉀離子電池負極材料時也表現出較好的儲鉀性能。

其中，生物質衍生碳材料由于具有較高的比容量和優異的循環穩定性和倍率性能而得到了廣泛關注。研究表明，引入雜原子（N、O、P、S、F等）是調節層間距的有效方法，擴大的層間距能夠承受較大的體積膨脹并且容納更多的鉀離子。此外，雜原子摻雜（特別是多組分摻雜）或會產生大量的缺陷，顯著增加電化學活性位點，從而提高生物質衍生碳材料的容量。我們可以通過改變熱處理的條件來調節雜原子含量和層間距大小。由于生物質可再生、豐富、環保等特點，開發出可持續的生物質衍生碳材料作為鉀離子電池負極材料是極具有前景的。

發明內容

解決的技術問題：針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種荸薺衍生的氧摻雜碳材料及其制備方法和應用，制得的氧摻雜碳材料在作為鉀離子電池的負極材料時，電化學性能優異，是具發展潛力鉀離子電池負極材料。

技術方案：一種荸薺衍生的氧摻雜碳材料的制備方法，步驟如下：

步驟一. 將荸薺切碎成小塊洗滌后瀝干水，在鹽酸中攪拌，然后用去離子水清洗、冷凍干燥；

步驟二. 將步驟一所得產物置于管式爐中，在氬氣氣氛下，先在30 ℃保持30 min，之后以5 ℃ /min的升溫速率升溫至500~1500℃熱解2 h，最終得到目標產物氧摻雜碳材料。

作為優選，以5 ℃/min的升溫速率分別升至500、700、900、1100、1300、1500℃熱解2 h，最終得到目標產物氧摻雜碳WC500、WC700、WC900、WC1100、WC1300、WC1500。

作為優選，所述步驟一中將荸薺切碎成小塊洗滌后瀝干水，先在鹽酸中攪拌6小時，然后用去離子水清洗、冷凍干燥48 h。

作為優選，所述步驟一中鹽酸的濃度為6M，荸薺與鹽酸的比值為1 g：1 mL。

上述方法制備的荸薺衍生的氧摻雜碳材料WC500、WC700、WC900、WC1100、WC1300、WC1500。