本發(fā)明涉及一種生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法。

背景技術：

1、隨著未來應用對能量密度、高安全性以及環(huán)境污染問題的要求越來越高，電動汽車及儲能領域等對大中型電池的需求日益增加，目前的鋰離子電池預計不足以滿足這個快速增長的市場的需求。鎂電池因其通過二價離子反應在能量密度方面具有理論上的顯著優(yōu)勢，是一種很有前途的超鋰離子電池陽極候選者。

2、在常規(guī)有機電解液中，鎂電池中直接形成的sei(solid?electrolyte?interface)層會阻礙鎂離子的傳導并鈍化表面，從而對性能產生不利影響，因此只能在動力學緩慢的固態(tài)電解質以及高度腐蝕性和氧化不穩(wěn)定的醚類電解質(例如格式試劑等)中才能實現(xiàn)可逆的沉積/剝離化學。近年來，構建允許可逆的mg2+沉積/剝離的人造鎂離子導電界面，吸引了越來越多科研工作者的關注，已通過聚合物涂覆、合金化、無機鹵素化合物改性和氣相化學吸附等來實現(xiàn)。已有研究表明，天然的生物質炭可作為鎂離子傳導的介質，具備人造的鎂離子電池sei的潛能。但是直接采用天然生物質炭作為鎂金屬表面人造的保護界面時，由于生物質炭/鎂復合材料的電子電導較高且與電解液的潤濕性較差，因此電池的循環(huán)穩(wěn)定性不高，電池工作過程中隨著循環(huán)的進行容易失效。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決生物質炭作為鎂金屬表面人造的保護界面時，生物質炭/鎂復合材料循環(huán)穩(wěn)定性不高，電池工作過程中短時間容易失效的問題，提出了一種高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法。

2、本發(fā)明用于高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法按照以下步驟進行：

3、一、稱料：稱取生物質炭、氫氧化鉀、磷酸和純鎂金屬作為原料；

4、二、氫氧化鉀化學活化處理：

5、將步驟一稱取的生物質炭和氫氧化鉀粉末混合得到生物質炭和氫氧化鉀的混合物；或將稱取的氫氧化鉀制備氫氧化鉀水溶液后將生物質炭置于氫氧化鉀溶液中攪拌，隨后將生物質炭過濾并置于真空烘箱中干燥，得到生物質炭和氫氧化的鉀混合物；

6、將獲得的生物質炭和氫氧化鉀的混合物在保護氣氛下熱處理，最后隨爐冷卻直至室溫，得到氫氧化鉀化學活化處理的生物質炭；

7、三、生物質炭磷化處理：

8、將步驟二獲得的氫氧化鉀化學活化處理的生物質炭置于磷酸中浸漬，抽濾后轉移至真空烘干箱中干燥，然后轉移至真空箱式爐中在保護氣氛下再次進行熱處理，完成后冷卻到室溫得到活化后的生物質炭，將活化后的生物質炭在去離子水中洗滌直至ph為中性，最后進行干燥；

9、四、高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備：

10、在保護氣氛下將步驟三中獲得的活化后的生物質炭通過壓力浸滲制備得到高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片。

11、本發(fā)明具備以下有益效果：

12、1、本發(fā)明給出了一種高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，利用氫氧化鉀以及磷酸對生物質炭進行化學活化處理，實現(xiàn)對天然生物質炭的改性，破壞天然生物質炭的共軛結構，從而更好的滿足人造sei的性能要求。同時利用自排氣壓力浸滲技術合成改性的生物質炭/鎂復合材料，在鎂離子電池中起到人造sei作用的改性生物質炭較好的優(yōu)化了電子電導以及較好的界面潤濕性，解決了電解質/溶劑選擇困難的問題，從而可以應用在更抗氧化的常規(guī)電解液中，在電池工作過程中循環(huán)穩(wěn)定性有效提高，倍率性能測試過程中過電勢得到有效降低。

13、2、眾所周知，生物質廢棄物會造成了嚴重的環(huán)境問題。因此，迫切需要為這種廢物找到合適的應用。本發(fā)明實現(xiàn)了將品種豐富的生物質前體轉化為儲能材料的重要組成部分，以天然生物質材料為原料，研究了一種制備改性硬質炭的簡易工藝，并通過對生物質硬碳材料進行化學活化處理，使得改性硬碳材料有效地發(fā)揮功能材料屬性，在鎂金屬電池中發(fā)揮了mg2+界面保護的作用。

14、3、本發(fā)明原料來源豐富、生產成本低、工序簡單、生態(tài)安全，簡單的改性處理即可實現(xiàn)性能的大幅提高，滿足產業(yè)化生產及應用。

技術特征：

1.一種高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：用于提高生物質炭/鎂復合材料負極極片循環(huán)穩(wěn)定性的制備方法按照以下步驟進行：

2.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟二所述的生物質炭和氫氧化鉀粉末的質量比為1:1～30。

3.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟二所述的氫氧化鉀溶液的濃度為1～20mol/l，生物質炭置于氫氧化鉀溶液中攪拌的時間為2～48h。

4.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟二所述的生物質炭和氫氧化鉀混合物熱處理的加熱速率為1～20℃/min，保溫溫度為450～950℃，保溫時間為1～4h。

5.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟二、步驟三和步驟四所述的保護氣氛為氦氣、氮氣或氬氣。

6.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟三所述的磷酸濃度為85％～98％。

7.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟三所述的生物質炭與磷酸的質量比為1:10～50。

8.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟三所述的生物質炭置于磷酸溶液中浸漬的時間為1～10h。

9.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟三所述的生物質炭和磷酸混合物的熱處理的加熱速率為1～20℃/min，保溫溫度為450～1000℃，保溫時間為1～6h。

10.根據(jù)權利要求1所述的高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，其特征在于：步驟四所述通過壓力浸滲制備改性的生物質炭/鎂復合材料的方法為：將純鎂金屬制備成鎂熔液，然后將活化后的生物質炭預熱，預熱后進行壓力浸滲至鎂熔液將活化后的生物質炭內的三維聯(lián)通孔隙全部填充；預熱的溫度為600～650℃，壓力浸滲的溫度為800～890℃。

技術總結
一種高循環(huán)穩(wěn)定性生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法，涉及一種生物質炭/鎂復合材料負極極片的制備方法。為了解決生物質炭作為鎂金屬表面人造的保護界面時，生物質炭/鎂復合材料循環(huán)穩(wěn)定性不高，電池工作過程中短時間容易失效的問題。本發(fā)明利用氫氧化鉀以及磷酸對生物質炭進行化學活化處理，對天然生物質炭進行改性處理，破壞其共軛結構，在鎂離子電池中起到人造SEI作用的改性生物質炭解決了電解質/溶劑選擇困難的問題，在電池工作過程中循環(huán)穩(wěn)定性有效提高。并且本發(fā)明原料來源豐富、生產成本低、工序簡單、生態(tài)安全，簡單的改性處理即可實現(xiàn)性能的大幅提高，滿足產業(yè)化生產及應用。

技術研發(fā)人員：武高輝,王琳,孫凱,楊文澍,衛(wèi)增巖
受保護的技術使用者：哈爾濱工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19