[发明专利]一种以混合菌渣废料制备锂离子碳负极材料的方法

说明书

本发明涉及一种以混合菌渣废料为原料制备多元掺杂层次孔碳的方法，并将其应用于锂电池负极材料。步骤包括：将混合菌渣废料干燥、球磨后，与金属盐和无机碱进行混合并高温煅烧处理，然后用无机酸除去金属杂质，得到多元掺杂的层次孔碳。本发明制备得到的层次孔碳具有多元素掺杂，同时存在丰富的微孔、介孔和大孔，特别适合应用于锂离子负极材料。本发明原料来源广泛、工艺简单、操作方便、成本低、所得产品性能优良、易于扩大化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种以混合菌渣废料为原料制备锂离子电池用碳负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池作为一种绿色储能器件，具有能量密度大、开路电压高、绿色环保等一系列的优势，已被广泛应用于便携式电子器件中，比如手机、笔记本、便携式摄影机等。石墨类碳材料是目前锂离子电池主要的商业化负极材料，但是由于石墨本身的理论比容量只有372mAh g^-1，难以满足未来高能量密度的需求。有研究表明，碳材料的多孔化和元素掺杂，能够为锂离子提供更多的活性位点，从而有效地提高碳质材料的可逆比容量。中国专利CN104332596报道了采用三聚氰胺、苯二甲醛、碳纳米管和二甲基亚砜为原料，采用真空热处理方法，制备出氮掺杂的多孔碳/碳纳米管复合材料。Huawei Song等人以有机物为前驱体，利用模板法，制备出氮掺杂的多孔碳(Acs Applied MaterialsInterfaces,2014,6(23):21661-8.)。以上材料作为锂离子电池负极材料时，均表现出较高的比容量。然而，现有的技术中，制备元素掺杂的多孔碳材料通常需要特殊的碳源和掺杂元素前驱体为原料，使得成本昂贵，操作复杂，限制了其在大规模生产中的使用。

抗生素菌渣是伴随着抗生素生产而产生的一种废料，包括土霉素菌渣、青霉素菌渣、头孢菌素菌渣等，其主要成分是粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、氨基酸等，含有大量的碳、氮、氧元素以及少量的金属元素，如钙、铁、锌、镁等。我国是抗生素大国，每年会产生大量的菌渣废料。为了防止它的大量堆积，主要采取焚烧和掩埋的措施处理，然而焚烧产生的烟尘会污染空气，掩埋使其溶于地下水，造成水污染。同时上述两种处理方法也是对“资源”的浪费。如何有效、合理地处理这些菌渣废料成为目前亟待处理的问题。事实上，菌渣由于含有40％以上的碳组分，适合于通过煅烧来获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，可以直接作为有益掺杂元素的来源。到目前为止，以混合菌渣废料为原料制备锂离子碳负极材料的相关技术还鲜有报道。

发明内容

本发明主要目的是解决目前的技术问题，提供一种简单的方法，以混合菌渣废料为原料，制备具有多元掺杂的层次孔碳作为锂离子电池负极材料。

本发明一种以混合菌渣废料制备锂离子碳负极材料的方法，包括下述步骤；

步骤一

将干燥的混合菌渣粉末与金属盐和无机碱混合均匀，得到混合物；所述混合物中，干燥的混合菌渣粉末、金属盐、无机碱的质量比为15～2:1:1～8；干燥的混合菌渣粉末由土霉素菌渣粉末、头孢菌素菌渣粉末、青霉素菌渣粉末中至少两种组成；

步骤二

在保护气氛下，对步骤一所得混合物进行高温煅烧；得到碳化后的混合物；所述高温煅烧的温度为700～1100℃；

步骤三

将步骤二所得碳化后的混合物置于含无机酸的溶液中浸泡至少6h后，过滤，得到滤渣，清洗滤渣，直至洗液的pH至为6-8；得到半成品；所得半成品经烘干后，得到具有多元素掺杂的层次孔碳负极材料，即得到所述的锂离子碳负极材料。

本发明一种以混合菌渣废料制备锂离子碳负极材料的方法，干燥的混合菌渣粉末中，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％；

所述干燥的菌渣粉末是通过下述方案制备的：