本發(fā)明涉及一種新型復(fù)合材料的改性及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、開(kāi)發(fā)高能量密度和環(huán)保的可充電電池已成為眾多科研工作者的關(guān)注重點(diǎn)，隨著未來(lái)應(yīng)用對(duì)能量密度和高安全性的要求越來(lái)越高，以及目前鋰資源有限的現(xiàn)狀，目前的鋰離子電池預(yù)計(jì)不足以滿足這個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)的需求。鎂金屬是一種很有前途的超鋰離子電池陽(yáng)極候選者，因?yàn)榭沙潆婃V電池中的鎂金屬陽(yáng)極的容量(2230mah?g-1)幾乎是商用鋰電池(石墨，372mah?g-l)的六倍和低的還原電位(-2.37v?vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極)。此外，鎂金屬在電化學(xué)條件下較少產(chǎn)生枝晶的性質(zhì)，與鋰形成鮮明對(duì)比，且具有高安全性能及其高能量密度、低價(jià)格及其環(huán)保性受到越來(lái)越多的關(guān)注。

2、在常規(guī)電解液中，由于化學(xué)上不穩(wěn)定的溶劑化物質(zhì)的還原而產(chǎn)生的離子鈍化界面層通常阻礙mg0/mg2+反應(yīng)。一種解決方案是降低mg2+與溶劑之間的相互作用，防止mg2+還原，然而操作所需的鎂的可逆沉積/剝離化學(xué)只能用提供寬電壓窗口但動(dòng)力學(xué)緩慢的固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)，或使用高度腐蝕性和氧化不穩(wěn)定的電解質(zhì)例如格氏試劑等。另一種解決方法是構(gòu)建高鎂離子導(dǎo)電界面，其允許可逆的mg2+沉積/剝離，這最近已經(jīng)通過(guò)聚合物涂覆、合金化、無(wú)機(jī)鹵素化合物改性和氣相化學(xué)吸附等來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而這種人造的鎂離子導(dǎo)電界面的電子電導(dǎo)是限制其能否起作用的關(guān)鍵參數(shù)，若界面層的電子電導(dǎo)較高就容易在電解液與人造保護(hù)層的界面處發(fā)生還原分解，從而形成新的鈍化層使得人造保護(hù)界面失效。大量研究已經(jīng)證實(shí)生物質(zhì)炭具備作為鎂離子導(dǎo)電界面的潛能，而由于生物質(zhì)炭本身具有一定的電子電導(dǎo)，使得生物質(zhì)炭作為鎂離子人造保護(hù)界面時(shí)在電池循環(huán)過(guò)程中容易失效，因此急需一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的方法使生物質(zhì)炭電子電導(dǎo)進(jìn)一步降低，以此滿足改性后的生物質(zhì)炭可以作為人造的鎂離子保護(hù)界面層的效用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決生物質(zhì)炭具有電子電導(dǎo)使得作為鎂離子人造保護(hù)界面時(shí)在電池循環(huán)過(guò)程中容易失效的問(wèn)題，提出了一種低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法。

2、本發(fā)明低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

3、一、稱料：稱取塊狀生物質(zhì)炭、氫氧化鉀和純鎂作為原料；

4、二、生物質(zhì)炭和氫氧化鉀混合物的制備：

5、將步驟一稱取的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀粉末固體充分混合后置于坩堝中，為活化生物質(zhì)炭的制備做準(zhǔn)備；

6、或?qū)⒉襟E一稱取的氫氧化鉀制備成氫氧化鉀水溶液，之后將生物質(zhì)炭浸沒(méi)在氫氧化鉀溶液中攪拌，隨后將生物質(zhì)炭過(guò)濾并置于真空烘箱中干燥，獲得干燥的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀混合物，并置于坩堝中；

7、三、活化生物質(zhì)炭的制備：

8、將步驟二獲得的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀混合物在保護(hù)氣氛下加熱并保溫，氫氧化鉀在熱處理過(guò)程中對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行活化，然后在保護(hù)氣氛下隨爐冷卻直至室溫，得到活化生物質(zhì)炭；

9、四、改性的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備：

10、將步驟三中所得活化生物質(zhì)炭洗滌直至ph檢測(cè)為中性，隨后置于真空烘箱中烘干。最后，在保護(hù)氣氛下通過(guò)壓力浸滲制備改性的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料。

11、本發(fā)明具備以下有益效果：

12、1、本發(fā)明給出了一種低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，利用氫氧化鉀對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行化學(xué)活化處理，使得材料的共軛結(jié)構(gòu)得到破壞，生物質(zhì)炭的電子電導(dǎo)得到有效降低，利用自排氣壓力浸滲技術(shù)合成了改性的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料。作為人造鎂離子導(dǎo)電界面的改性生物質(zhì)炭使得鎂金屬負(fù)極極片在常規(guī)電解液中可逆的沉積/剝離循環(huán)次數(shù)得到明顯改善，循環(huán)穩(wěn)定性及充放電效率得到有效提高。

13、2、眾所周知，大量的廢木材及生物質(zhì)廢料被用于燃燒發(fā)電，被當(dāng)做垃圾丟棄，或者掩埋用于農(nóng)業(yè)種植。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了將價(jià)格低廉的天然生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為具有性能卓越的鎂離子電池負(fù)極材料。本發(fā)明改善了天然生物質(zhì)材料的電子電導(dǎo)屬性，使其更有效地發(fā)揮功能材料的屬性。

14、3、本發(fā)明成本低廉、原料可再生且環(huán)境友好，工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的活化處理即可實(shí)現(xiàn)性能的大幅提高，滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟二所述的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀粉末固體的質(zhì)量比為1:1～20。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟二所述的氫氧化鉀溶液濃度為1～20mol/l。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟二所述的坩堝種類為石墨坩堝或鎳坩堝。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟二所述的將生物質(zhì)炭置于氫氧化鉀溶液中攪拌的轉(zhuǎn)速為100～600rpm，時(shí)間為2～24h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀混合物的熱處理加熱速率為2～10℃/min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀混合物的熱處理的保溫溫度為450～1000℃，保護(hù)氣氛為氦氣、氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述的生物質(zhì)炭和氫氧化鉀混合物的熱處理的保溫時(shí)間為1～6h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟四中所述活化生物質(zhì)炭洗滌的方法為：先用濃度為1～10mol/l鹽酸溶液浸泡，再用去離子水充分洗滌直至ph檢測(cè)為中性。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟四所述通過(guò)壓力浸滲制備改性的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的方法為：將純鎂制備成鎂熔液，然后將活化生物質(zhì)炭預(yù)熱，預(yù)熱后進(jìn)行壓力浸滲至鎂熔液將活化生物質(zhì)炭?jī)?nèi)的三維聯(lián)通孔隙全部填充；預(yù)熱的溫度為600～650℃，壓力浸滲的溫度為800～890℃。

技術(shù)總結(jié)
一種低電子電導(dǎo)的生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法，涉及一種生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的制備方法。為了解決生物質(zhì)炭具有電子電導(dǎo)使得作為鎂離子人造保護(hù)界面時(shí)在電池循環(huán)過(guò)程中容易失效的問(wèn)題。方法：將生物質(zhì)炭與氫氧化鉀混合，將混合物在保護(hù)氣氛下進(jìn)行熱處理；熱處理后的樣品洗滌后干燥獲得活化生物質(zhì)炭；將活化后的生物質(zhì)炭與鎂金屬及鎂合金通過(guò)壓力浸滲后獲得活化生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料。本發(fā)明通過(guò)采用氫氧化鉀對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行活化處理使材料的共軛結(jié)構(gòu)得到破壞，降低了生物質(zhì)炭的電子電導(dǎo)，使得生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料的電子電導(dǎo)得到降低，緩解了用于負(fù)極極片時(shí)還原分解，提高了生物質(zhì)炭/鎂復(fù)合材料負(fù)極極片的循環(huán)穩(wěn)定性及充放電效率。

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