板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法及系统

本发明属于锂、钠离子电池生物碳负极，尤其涉及一种板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池（libs）因其能量密度高和使用寿命长等优点，在便携式电子设备中得到广泛应用，但稀缺的锂资源、生产成本和安全问题是libs面临的重大挑战。钠离子电池（sibs）具有与锂离子电池相似的电化学性能，成本低、资源丰富，是一种很有前景的锂离子电池替代品。然而，钠离子（na+) 较锂离子（li+）具有更大的原子半径，致使sibs电极材料的离子嵌入动力学和容量远低于libs。在众多的电极材料中，少有阳极材料可以同时容纳li+和na+，实现可逆的插入/脱出反应。开发具有成本效益和结构稳定性的高性能libs和sibs碳基阳极材料对实现libs到sibs的过渡具有重要意义。

2、合理的微观结构设计，如具有丰富层状结构或局域膨胀晶格结构的电极材料，是提高电池容量的有效途径。在各种碳质阳极中，生物碳作为一种可再生资源，主要来源于天然植物纤维的炭化，这使其具有丰富的孔隙结构和较高的比表面积，具有优异的吸附能力和离子储存能力。与传统的石墨材料相比，生物碳的制备过程更简单、更环保，其可调节的形态使其具有足够的活性位点用于储能。前驱体材料的选择和制备条件对生物碳材料的形态特征起着至关重要的作用。板栗壳作为一种常见的植物外壳，具有独特而复杂的形貌，外观通常呈棕褐色，表面光滑多刺，大多数呈圆锥形或球状，且内部存在纹路或花纹。这种独特的结构使其成为一种很有前景的碳前驱体，但目前还未有相关研究报道。因此，需要开发具有成本效益和结构稳定性的高性能libs和sibs碳基阳极材料实现libs到sibs的过渡。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：炭化温度的调控和生物碳微观结构的可控调节；保证生物碳前驱体的纯度和均一性，克服不同的栽培环境、物种和气候所导致的生物质组分分布差异，保持碳骨架均匀性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法，在不同烧结温度下的结构转换。基于以上电极组装的锂离子或钠离子电池具有显著增强的容量、长循环稳定性和倍率性能。

2、本发明是这样实现的，一种板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法，所述板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法包括以下步骤：

3、步骤一，将板栗壳置于乙醇溶液中反复超声清洗3次，去除表面无效杂质，置于烘箱中80℃烘干12小时，得到标准生物质前驱体；

4、步骤二，用粉碎机将板栗壳前驱体打碎成粉末，置于100 ml高压反应釜中，加入70ml，180℃水热24小时，之后置于80℃鼓风干燥箱干燥，得到初步碳化的样品；

5、步骤三，将干燥后的粉末置于耐高温磁舟中，置于管式炉中在氩气气氛下，分别在700℃和900℃下烧结2小时，之后自然冷却至室温，得到板栗壳衍生的生物碳材料；

6、步骤四，将板栗壳衍生的生物碳材料用作板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极。

7、进一步，步骤三中的碳化温度优先选择900℃。

8、本发明的另一目的在于提供一种板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法所制备的板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极。

9、本发明的另一目的在于提供一种板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极在锂离子或钠离子电池中的应用。

10、进一步，将板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极在有ar保护的手套箱中组装扣式半电池，利用蓝电系统进行电学性能测试。

11、本发明还提供了一种用于制备板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的系统，包括：

12、超声清洗装置，用于在乙醇溶液中对板栗壳进行超声清洗，去除表面无效杂质；

13、烘干装置，用于在80℃下对清洗后的板栗壳进行烘干处理；

14、粉碎机，用于将烘干后的板栗壳前驱体打碎成粉末；

15、高压反应釜，用于进行水热处理，实现初步炭化，水热炭化可以克服不同的栽培环境、物种和气候所导致的生物质组分分布差异；

16、管式炉，用于在氩气气氛下对粉末进行高温烧结，得到板栗壳衍生的生物碳材料。

17、进一步，所述管式炉能够在900℃下进行碳化处理，以优化板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的性能。

18、本发明还提供了一种使用上述系统制备的板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的方法，其特征在于，通过上述步骤一至步骤四顺序进行，以得到高性能的电池碳负极材料。

19、本发明还提供了一种在锂离子或钠离子电池中应用上述板栗壳衍生电池碳负极的方法，将所得电池碳负极材料用作锂离子或钠离子电池的负极。

20、进一步，包括在有ar保护的手套箱中组装扣式半电池，并利用蓝电系统对电池进行电学性能测试，以评估板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的性能。

21、第一，本发明制备的以板栗壳衍生的生物碳负极，具有独特的层状结构，且局域膨胀晶面间距达到4 å，作为锂离子和钠离子电池负极，均具有良好的电化学性能。在0.2 c的电流密度下，经过将近200次循环后，该负极组装的锂离子和钠离子半电池的比容量分别为605 ma h g1和 324 ma h g1，显著高于常规石墨负极的实际容量。

22、本发明合成的板栗壳衍生的生物碳负极，能够实现对锂钠离子的高效储存。通过调整烧结温度，板栗壳衍生碳的无序度和微观结构得到可控调整，作为锂离子或钠离子电池负极对离子的储存能力显著改善。基于这些策略，相应二次离子电池的性能得到显著提高，作为锂离子和钠离子电池负极的比容量在0.2 c （c=372 ma g1）的充放电倍率下分别达到了605 ma h g1和 324 ma h g1。

23、第二，本发明提供的板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极的制备方法带来的显著技术进步包括：

24、1）环境友好的原料利用：利用板栗壳这种广泛可获得的自然废弃物作为原料，实现了生物质资源的高效循环利用，减少了环境污染。

25、2）优化的材料性能：通过精确控制处理条件，特别是在900℃下的碳化处理，获得的生物碳材料具有优异的电化学性能，适用于高性能电池负极材料。

26、3）提高的电池性能：使用这种方法制备的电池碳负极在锂离子或钠离子电池中表现出更高的能量密度和循环稳定性，对提高电池整体性能具有重要意义。

27、4）广泛的应用潜力：由于制备过程的高效性和环境友好性，这种方法可用于大规模生产，具有广阔的工业应用前景。

28、5）降低生产成本：使用低成本的自然废弃物作为原料，相比传统的合成方法能够有效降低电池负极材料的生产成本。

29、本发明提供的板栗壳衍生电池碳负极的制备方法不仅提高了电池的性能，还实现了环境友好和成本效益的双重优势，对推动可持续能源技术的发展具有重要的贡献。

30、第三，本发明首次采用板栗壳为前驱体制备了一种层状结构的生物碳负极，同时作为锂离子和钠离子电池负极；采用水热的初步碳化方式克服了不同地域条件生长的板栗壳物质组分差异对衍生碳结构的影响；通过合理调控炭化温度，使衍生碳负极具有局部扩张的晶格结构以适应锂钠离子的储存。

31、本发明的板栗壳衍生碳负极显著增强的电化学性能可归因于几个原因，包括其局部较大的晶面间距为大尺寸离子的传输和储存提供了更丰富的通道和活性位点；层状结构更有利于循环稳定性。本发明提出的板栗壳衍生电极，成本低廉，工艺简单，为进一步设计二次离子电池负极提供了指导，具有兼容的高性能、成本效益和工业前景。本发明首次利用板栗壳为前驱体制备了具有稳定结构和高容量的生物碳阳极材料，为其他生物质炭材料的开发和制备提供了重要的思路工艺借鉴。

32、本发明制备生物碳负极，同时适用于锂离子电池和钠离子电领域。性能优于市场上传统石墨负极及大部分硬碳材料。本发明克服了以往研究对生物碳在实际应用中难以应用的技术偏见。以往研究认为，生物碳的局限性存在于其前驱体物质组分分布受栽培环境，物种和地域气候的影响。但是我们采用水热碳化可以克服这一问题，保证制备碳材料的均匀性。加之良好的储锂储钠能力，储能市场将具有很好的应用前景。

33、第五，本发明的工艺参数在制备板栗壳衍生锂离子或钠离子电池碳负极材料的过程中起着至关重要的作用。通过优化这些参数，可以带来显著的技术进步，具体体现在以下几个方面：

34、1）提高能量密度和功率密度－ 通过精确控制炭化温度和时间，可以调节生物碳的微观结构，如孔隙率和孔径分布，这直接影响电池负极材料的离子存储能力和传输速率。更高的孔隙结构可以提供更多的离子储存位点，从而提高能量密度；而适宜的孔径分布则有利于电解质离子的快速传输，提高功率密度。

35、2）增强电化学稳定性和循环寿命－ 通过控制水热反应和炭化过程的条件，可以得到具有较高结晶度和稳定石墨化结构的碳材料。这些结构特征使得碳负极材料在电池充放电过程中更稳定，减少容量衰减，从而延长电池的循环寿命。

36、3）改善材料的导电性－ 适当的炭化温度有助于提高碳材料的导电性。较高的炭化温度促进了材料内部的石墨化程度，形成了更好的导电网络，从而减少了电池内阻，提高了电池的充放电效率。

37、4）优化孔隙结构和比表面积－ 精细调控水热处理和炭化步骤中的参数，如反应时间、温度和压力，可以生成具有优化孔隙结构和较大比表面积的碳材料。这对于提升锂离子和钠离子的吸附和扩散速率至关重要，有助于提升电池的快速充放电性能。

38、5）环境友好和成本效益－ 通过对工艺参数的优化，可以实现生物质资源的最大化转化效率和材料性能的最优化，减少能源消耗和原材料浪费，使得整个制备过程更加环境友好和经济高效。

39、本发明通过精细调控工艺参数，不仅可以显著提高板栗壳衍生电池负极材料的性能，还能实现更加可持续和经济高效的生产过程，这对于电池材料的研究和开发具有重要意义。