[发明专利]植物材料制备微孔碳结构电极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种微孔碳结构的高性能电极材料及绿色制备方法与应用，属于新一代能源存储领域。本发明的方法包括下述步骤：一、将富含纤维素植物分别置于水和乙醇中煮沸多次以去除其中的蛋白质、脂肪、蔗糖有机物；二、加热烘干后将其在保护气体的氛围下高温煅烧后使其自然降温得到微孔碳材料；三、在硫酸和硝酸的混合液中持续搅拌10‑20分钟实现表面功能化。本发明方法创造性的使用了富含纤维素植物残渣来制备电极材料，酸液可重复利用，制备过程简单无污染，可用于大规模生产，并且所制备电极材料性能优异，可与石墨烯材料的锂离子存储性能相媲美，具有很高的实用价值，因而有机会取代商业石墨成为新型的锂离子电池电极材料。

技术领域

本发明属于材料与电化学储能器件领域，更具体地，涉及一种植物材料制备的微孔碳结构的电极材料。

背景技术

随着现代生活和工业生产对化石燃料的需求和消耗不断增加，人类的生存环境正面临着严峻的考验，这也刺激着人们不断去探索开发清洁可再生能源，而对于太阳能、风能等最常用的可再生能源都是间歇性的，无法连续不断的提高能量，因此需要发展高效率能源存储技术在供能充足时储备能量用于再供能不足时提供能量。

二次锂离子电池作为一种高性能的能源存储器件近年来得到了迅速的发展，并被广泛应用于各种便携式电子设备及电动汽车当中，同时人们的现代化快节奏的生活对能源存储器件的需求也越来越大，因此研发高性能的锂离子电池电极材料显得尤其重要。石墨作为目前商业锂离子电池所用的传统负极材料，在使用过程中面临的主要问题在于比容量低并且循环衰减快，因此需要发展其他的高性能低成本低污染的电极材料来取代传统的商业石墨电极。碳材料由于具有高导电性，容易制备多孔结构而具有大的比表面积，以及化学稳定性等多重优点而被认为是极具发展潜力的电极材料。例如Long Qie等采用氧化剂模板诱导聚合方法，利用吡咯单体合成了多孔碳纤维网络结构，具备超高的比容量以及优异的循环稳定性，但其缺点所需原材料贵，难以实现商业化应用(Adv.Mater.2012,24,2047–2050)；Zhiqiang Xie等采用金属有机物框架(MOF)和石墨烯合成了多孔碳纳米球生长在石墨烯片上的三明治结构，同样的，虽然其具有优异的性能和新颖的结构，但复制的制备工艺使其无法满足商业化的应用(ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,10324-10333)。基于上述方案的优点及缺点，本专利提供了更加实际可行的制备方法来获得高性能的锂离子电池负极材料，不仅低成本，且对环境无污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种植物材料制备的微孔碳结构的高性能电极材料及制备方法和应用。该植物材料制备的微孔碳结构的高性能电极材料具有优异性能，且制备过程简单绿色无污染并，能够实现自然废弃物的再利用，在发挥商业价值的同时能够节约资源并有利于环境保护。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种植物材料制备的微孔碳结构的高性能电极材料，该电极材料由以下步骤制备得到：

步骤一：除去富含纤维素植物当中的残留的糖分：

将富含纤维素植物切成长度为3-5厘米的小段，在纯净的去离子水中沸煮1-2小时，然后在乙醇中沸煮1-2小时，如此重复2-3次，以除去其中残留的糖分，之后在80-100度的烘箱中干燥8小时以上；

步骤二：碳化：

将上述步骤一中获得的干燥的富含纤维素植物残渣在保护气体的氛围下加热到900-1100℃并保温4-5小时后自然冷却，得到多微孔的碳材料；

步骤三：表面功能化：

将所述步骤二制备的多微孔碳材料浸泡在在强酸下高温处理，使碳表面添加活性官能团，过滤并洗涤，干燥后即得到微孔碳结构的高性能电极材料。

优选地，步骤三中干燥后得到的微孔碳结构的高性能电极材料疏松多孔，孔径为2-5微米。