【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及電化學儲能，具體涉及一種氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料及其制備方法與應用。
技術介紹
1、儲能是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要支撐技術之一，是平抑新能源波動、降低大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)造成沖擊的重要手段。當前，全球能源資源競爭日趨激烈，我國也面臨能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重大變革。能源結(jié)構(gòu)中電化學儲能占比逐年遞增，而電化學儲能目前以鋰電池和鉛蓄電池為主，其中鉛蓄電池由于能量密度低、循環(huán)壽命短和鉛污染危害大將逐漸被市場淘汰。鋰離子電池因其具有高能量密度、開路電壓高、輸出功率大，無記憶效應等優(yōu)點而廣泛應用于實際生產(chǎn)生活中。但是地殼中鋰資源稀缺且分布不均，難以滿足日益增長的市場需求?；诖耍c離子電池以其成本優(yōu)勢和資源優(yōu)勢作為一種新型電池技術在儲能領域嶄露頭角。
2、比容量高、成本低廉、環(huán)境友好、穩(wěn)定性好的負極材料是實現(xiàn)高性能鈉離子電池應用于儲能系統(tǒng)中的關鍵。其中，硬碳由于具有層間距大、納米孔洞多、缺陷位點豐富等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，表現(xiàn)出優(yōu)良的儲鈉性能。此外，近年來隨著實現(xiàn)“雙碳”目標的進行，廢棄生物質(zhì)再利用對減少資源消耗、提高資源利用效率、實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效至關重要。因此，結(jié)合當前鈉離子電池儲能應用需求，實現(xiàn)廢棄生物質(zhì)的高效資源化利用，并使其轉(zhuǎn)化為高附加值的生物質(zhì)衍生的硬碳儲能材料具有重要意義。
3、生物質(zhì)衍生的碳材料因其原料來源廣、可再生、價格低受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關注。例如，有科研人員以椰子殼、稻殼等廢棄生物質(zhì)為原料制備了硬碳材料并作為鈉離子電池負極材料，實現(xiàn)了良好的儲鈉性能。([1]隋孟珈,安玉良,
技術實現(xiàn)思路
1、為解決上述問題，本專利技術的目的在于提供一種氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料及其制備方法與應用，以廢棄榴蓮殼為原料，經(jīng)過預處理、水熱酸洗、水熱摻雜、高溫碳化得到氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料。所述制備方法中水熱酸洗使得能夠更徹底地去除雜質(zhì)，制備出的硬碳材料結(jié)構(gòu)更致密，所得到的硬碳材料壓實密度大，即可實現(xiàn)電池容量的有效提升。此外，本專利技術以硫化銨溶液作氮硫源進行了氮硫元素的摻雜，氮硫元素的摻雜是功能化改性的主要作用因素，從實驗數(shù)據(jù)看，摻雜后的負極材料性能更優(yōu)異，利用果皮生物質(zhì)廢棄物制備碳負極材料不僅節(jié)約成本，還可以解決果皮廢棄帶來的環(huán)境污染。本專利技術通過氮硫摻雜改性生物質(zhì)衍生的硬碳策略，得到具有高的庫倫效率、比容量和倍率性能的鈉離子電池負極材料。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術公開了一種氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，包括如下步驟：
3、(1)預處理：將榴蓮殼進行干燥并粉碎至毫米級，得到榴蓮殼固體顆粒；
4、(2)水熱酸洗：將步驟(1)得到的榴蓮殼固體顆粒置于水熱釜a中，再向水熱釜a中加入酸溶液，然后將水熱釜a置于鼓風干燥箱中進行水熱酸洗處理，之后冷卻至室溫，將得到的產(chǎn)物過濾，水洗至中性后干燥，得到榴蓮殼衍生的碳前驅(qū)體；
5、(3)水熱摻雜：將步驟(2)得到的榴蓮殼衍生的碳前驅(qū)體置于水熱釜b中，再加入硫化銨水溶液，將水熱釜b置于鼓風干燥箱中進行水熱摻雜處理，之后冷卻至室溫，將得到的產(chǎn)物過濾、干燥后得到摻雜改性的碳前驅(qū)體中間品；
6、(4)高溫碳化：將步驟(3)所得摻雜改性的碳前驅(qū)體中間品置于管式爐并在惰性氣氛中進行高溫碳化處理，自然冷卻至室溫，將所得產(chǎn)物進行精細研磨，得到氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料。
7、優(yōu)選的，步驟(1)中所述干燥為鼓風干燥，鼓風干燥的溫度為50～100℃，干燥時間為12～36h；所述粉碎為采用破壁機進行粉碎，破壁機功率為900～3000w，轉(zhuǎn)速為20000～45000r/min，破碎后粉末粒度在0.1～0.4mm之間，即能過40～150目篩網(wǎng)。
8、優(yōu)選地，步驟(2)中所述酸溶液中的酸包括且不僅限于硫酸、鹽酸、磷酸中的一種，所述酸溶液的濃度為0.01～1.0mol/l；
9、優(yōu)選地，步驟(2)中向水熱釜a中加入酸溶液后，水熱釜a的填充率為50％-90％，所述水熱酸洗處理的反應溫度為100～180℃，反應時間為2～8h。
10、優(yōu)選地，步驟(2)中榴蓮殼固體顆粒與酸溶液的質(zhì)量比為1:4～20。
11、優(yōu)選地，步驟(3)中所述硫化銨水溶液的濃度為0.01～1.0mol/l。
12、優(yōu)選地，步驟(3)中將硫化銨水溶液加入水熱釜b后，水熱釜b的填充率為50％-90％；所述水熱摻雜處理的反應時間為2～8h，反應溫度為180～250℃。
13、優(yōu)選地，步驟(3)中所述榴蓮殼衍生的碳前驅(qū)體與硫化銨水溶液的質(zhì)量比為1:5～20。
14、優(yōu)選地，步驟(4)中所述惰性氣氛為氬氣或氮氣中的一種，惰性氣氛流量為100～200sccm；高溫碳化處理具體是將管式爐從室溫升至800～1200℃，并保溫2～4h，升溫速率為5℃/min，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫。
15、優(yōu)選地，步驟(4)中所述精細研磨是將所得產(chǎn)物在球磨機中進行干式球磨并研磨至微米級，并在精細研磨后將得到的粉末過500目篩網(wǎng)，得到氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料。
16、優(yōu)選地，步驟(4)中是將所得產(chǎn)物放入瑪瑙罐中進行干式球磨，瑪瑙球與所得產(chǎn)物的質(zhì)量比保持在20:1。
17、優(yōu)選地，步驟(4)中球磨機在200～400rpm下運行3～6h，且旋轉(zhuǎn)方向每60分鐘反向一次。
18、本專利技術還公開了一種按照上述方法制得的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料及該氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料作為鈉離子電池負極材料的應用。
19、與現(xiàn)有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：
20、(1)本專利技術提供的制備方法簡單、高效且成本低廉。采用廢棄生物質(zhì)榴蓮外殼，所選材料可再生、來源廣泛、價格低廉。利用簡單高效的元素摻雜改性，結(jié)合水熱酸洗和二次水熱摻雜步驟，可實現(xiàn)對硬碳材料的有效除雜和功能化改性；此外，合成過程中沒有有害物質(zhì)產(chǎn)生，符合綠色化學的觀念；
21、(2)通過本專利技術方法制備的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料在n、s元素的摻雜引入下，材料結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，表面褶皺增加，在不改變其整體片狀形貌結(jié)構(gòu)的基礎上增大了材料的表面積，提供了豐富的活性位點，從而有利于提高硬碳材料的儲鈉本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述干燥為鼓風干燥，鼓風干燥的溫度為50～100℃，干燥時間為12～36h；所述粉碎為采用破壁機進行粉碎，破壁機功率為900～3000W，轉(zhuǎn)速為20000～45000r/min，破碎后粉末粒度在0.1～0.4mm之間。
3.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(2)中所述酸溶液中的酸包括且不僅限于硫酸、鹽酸、磷酸中的一種，所述酸溶液的濃度為0.01～1.0mol/L；所述榴蓮殼固體顆粒與酸溶液的質(zhì)量比為1:4～20。
4.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(2)中向水熱釜A中加入酸溶液后，水熱釜A的填充率為50％-90％，所述水熱酸洗處理的反應溫度為100～180℃，反應時間為2～8h。
5.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備
6.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(4)中所述惰性氣氛為氬氣或氮氣中的一種，惰性氣氛流量為100～200sccm；高溫碳化處理具體是將管式爐從室溫升至800～1200℃，并保溫2～4h，升溫速率為5℃/min，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫。
7.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(4)中所述精細研磨是將所得產(chǎn)物在球磨機中進行干式球磨并研磨至微米級，并在精細研磨后將得到的粉末過500目篩網(wǎng)，得到氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料。
8.如權利要求7所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(4)中是將所得產(chǎn)物放入瑪瑙罐中進行干式球磨，瑪瑙球與所得產(chǎn)物的質(zhì)量比保持在20:1，球磨機在200～400rpm下運行3～6h，且旋轉(zhuǎn)方向每60分鐘反向一次。
9.如權利要求1～8任一項所述制備方法制得的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料。
10.如權利要求9所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料作為鈉離子電池負極材料的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述干燥為鼓風干燥，鼓風干燥的溫度為50～100℃，干燥時間為12～36h；所述粉碎為采用破壁機進行粉碎，破壁機功率為900～3000w，轉(zhuǎn)速為20000～45000r/min，破碎后粉末粒度在0.1～0.4mm之間。
3.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(2)中所述酸溶液中的酸包括且不僅限于硫酸、鹽酸、磷酸中的一種，所述酸溶液的濃度為0.01～1.0mol/l；所述榴蓮殼固體顆粒與酸溶液的質(zhì)量比為1:4～20。
4.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(2)中向水熱釜a中加入酸溶液后，水熱釜a的填充率為50％-90％，所述水熱酸洗處理的反應溫度為100～180℃，反應時間為2～8h。
5.如權利要求1所述的氮硫共摻雜功能化的榴蓮殼衍生的硬碳材料的制備方法，其特征在于：步驟(3)中將硫化銨水溶液加入水熱釜b后，水熱釜b的填充率為50％-90％；所述水熱摻雜處理的反應時間為2～8h，反應溫度為180～25...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：吳海濤，王文娟，張玥，袁妍，王芳，董延茂，
申請(專利權)人：蘇州科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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