生物质碳/Ga.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911414301.8 (22)申请日 2019.12.31 (71)申请人 三峡大学 地址 443002 湖北省宜昌市西陵区大学路8 号 (72)发明人 倪世兵许真徐杰杨学林 (74)专利代理机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 代理人 成钢 (51)Int.Cl. H01M 4/36(2006.01) H01M 4/485(2010.01) H01M 4/62(2006.01) H01M 10/0525(2010.01) (54)发明名称 生物质碳/Ga2O3复合材料。

2、的制备方法及其 应用 (57)摘要 本发明提供一种生物质碳/Ga2O3复合材料 的制备方法及作为锂离子电池负极材料的应用。 其具体操作如下： 将香蒲果穗在氢氧化钠溶液中 超声处理， 再用去离子水清洗干净， 烘干； 取一定 量硝酸加入去离子水中， 搅拌均匀后加入适量Ga (NO3)3xH2O， 再向溶液加入适量处理好的香蒲 果穗， 超声烘干； 材料烘干后将其置于N2环境中， 在500-700下煅烧得到生物质碳/Ga2O3复合材 料。 本发明首次将生物质 （香蒲） 碳/Ga2O3复合材 料用作锂离子电池负极材料， 显示了良好电化学 性能。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 1110638。

3、77 A 2020.04.24 CN 111063877 A 1.一种生物质碳/Ga2O3复合材料的制备方法， 其特征在于， 具体制备工艺如下： （1） 将香蒲果穗在氢氧化钠溶液中超声处理， 再用去离子水清洗干净， 烘干制得干燥的 香蒲果穗； （2） 取一定量硝酸加入去离子水中， 搅拌均匀后加入适量Ga(NO3)3xH2O， 制得Ga (NO3)3xH2O溶液； （3） 向Ga(NO3)3xH2O溶液中加入干燥的香蒲果穗， 超声后烘干， 再将烘干材料置于N2环 境中煅烧得到生物质碳/Ga2O3复合材料。 2.根据权利要求1所述的生物质碳/Ga2O3复合材料的制备方法， 其特征在于， 步骤 （1。

4、） 中 香蒲果穗在浓度为1-2mol/L氢氧化钠溶液中超声处理2-3h， 再用去离子水清洗干净。 3.根据权利要求1所述的生物质碳/Ga2O3复合材料的制备方法， 其特征在于， 步骤 （2） 中 Ga(NO3)3xH2O的浓度为0.1-1.0mmol/mL。 4.根据权利要求3所述的生物质碳/Ga2O3复合材料的制备方法， 其特征在于， 步骤 （3） 中 Ga(NO3)3xH2O溶液与干燥的香蒲果穗的质量比为10-18： 1-2。 5.根据权利要求1所述的生物质碳/Ga2O3复合材料的制备方法， 其特征在于， 步骤 （3） 在 N2环境中， 以升温速度为3-5/min升温至500-700， 煅。

5、烧5-6h。 6.权利要求1-5任一项所述制备的生物质碳/Ga2O3复合材料作为锂离子电池负极材料 的应用。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111063877 A 2 生物质碳/Ga2O3复合材料的制备方法及其应用 技术领域 0001 本发明涉及一种锂离子电池负极材料， 特别涉及一种生物质 （香蒲） 碳/Ga2O3复合 材料作为负极材料及其制备方法， 属于电化学电源领域。 背景技术 0002 随着社会经济的快速发展， 人们对能源的依存度不断地提高。 目前， 传统的化石能 源如煤、 石油、 天然气等被大量使用， 大气污染、 能源危机等问题日益突出， 直接影响了人们 的生活。 因此， 人们正积。

6、极探寻可代替的清洁能源， 太阳能、 风能、 水能和核能都是可再生的 新型能源， 然而， 由于具有随机性、 间歇性、 难存储等特点， 使得难以稳定应用于日常生活。 为提高此类能源的利用率， 研发高性能的储能设备迫在眉睫。 0003 锂离子电池作为一种高性能的储能设备， 因其能量密度大、 工作电压高、 循环寿命 长、 环境污染小、 无记忆效应、 可快速充放电等优点， 在储能市场占据了主导地位， 已广泛地 运用于便携式电子设备及动力汽车中。 目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨类碳 材料， 但其理论比容量相对较低， 倍率性能差， 难以满足下一代高性能锂离子电池的要求。 因此， 探索新型锂离子电池。

7、负极材料尤为重要。 0004 Ga2O3是一种超宽禁带无机半导体材料， 将Ga2O3作为锂离子电池负极材料， 具有超 高理论容量 （1430mAh g-1） 。 然而， 本身低的电导性使得Ga2O3电化学反应动力学不佳， 导致 循环性能不理想。 香蒲是一种草本植物， 抗性强， 适应性广， 生于低海拔地区池沼、 湖泊、 水 稻田及水湿地， 资源丰富， 其果穗具有蓬松多孔结构， 由大量纤维构成， 是一种理想的生物 质碳材料。 基于以上背景， 本专利提供一种生物质方法制备Ga2O3与碳均匀复合的负极材料。 以碳作为导电增强相和结构模板， 显著提升Ga2O3电化学性能。 发明内容 0005 本发明的目。

8、的在于开发一种生物质碳/Ga2O3复合材料作为锂离子电池负极材料， 材料具体制备方法为： （1） 将香蒲果穗在浓度为1-2mol/L氢氧化钠溶液中超声处理2-3h， 再用去离子水清洗 干净， 然后烘干， 烘干温度为60-80； （2） 向硝酸水溶液中加入Ga(NO3)3xH2O， Ga(NO3)3xH2O的浓度为0.1-1.0mmol/mL。 0006 所述的Ga(NO3)3xH2O， 储存： 室温， Lot#： C10352573， CAS： 69365-72-6。 0007 购自Shanghai Macklin Biochemical Co.,Ltd. 1288 Canggong Rd, 。

9、Shanghai Chemical Industry Park, Shanghai,China(201424). （3） 向 （2） 溶液中加入处理好的香蒲果穗， 超声处理后烘干； 所述的Ga(NO3)3xH2O溶液 与干燥的香蒲果穗的质量比为10-18： 1-2。 0008 （4） 材料烘干后将其置于N2环境中， 以3-5/min的升温速度， 在500-700下煅烧 5-6h， 得到生物质碳/Ga2O3复合材料。 0009 本发明提供一种生物质碳/Ga2O3锂离子电池复合负极材料的制备方法。 以Ga 说明书 1/3 页 3 CN 111063877 A 3 (NO3)3xH2O、 HNO3、。

10、 去离子水、 香蒲果穗为反应原料， 通过浸泡吸附、 氮气烧结方法获得生 物质碳/Ga2O3复合材料。 生物质碳/Ga2O3复合材料制备原理在于：（1） 首先利用氢氧化钠的 强碱性， 对香蒲果穗中的蛋白质、 脂肪等微成分进行溶解， 形成部分孔洞结构及碱性OH-修 饰；（2） 调控HNO3浓度从而抑制Ga(NO3)3xH2O水解生成镓的羟基氧化物： Ga(NO3)3xH2O Ga3+ + 3NO3-， 获得酸性溶液；（3） 将碱性OH-修饰的多孔香蒲果穗放置于含Ga3+酸性溶液 中， 结合静电作用与多孔特性， 实现含Ga3+酸性溶液在香蒲果穗中的均匀吸附；（4） 通过氮气 烧结， 使香蒲果穗原位碳。

11、化得到碳纤维， 同时含Ga3+酸性溶液分解生成Ga2O3， 最终获得Ga2O3 与碳均匀复合的生物质碳/Ga2O3复合材料。 0010 本发明所涉及一种生物质碳/Ga2O3复合材料作为锂离子电池负极材料， 具有以下 几个显著的特点： （1） 合成工艺易于操作， 可重复性强， 成本低廉； （2） 所制备负极材料的生物质来源广泛， 简单易得， 环保； （3） 所制备的生物质碳/Ga2O3复合材料中碳纤维直径约5-10 m， 长数十 m； （4） 所制备的生物质碳/Ga2O3复合材料首次用作锂离子电池负极材料， 具有明显的充、 放电平台和良好的循环稳定性。 附图说明 0011 图1 实施例1、 2和。

12、3中所用的样品原料香蒲果穗图。 0012 图2 实施例1所制备样品的XRD图。 0013 图3实施例1所制备样品的循环伏安曲线。 0014 图4实施例1所制备样品的SEM图。 0015 图5实施例1所制备样品的 （a） 首次充、 放电曲线图和 （b） 循环性能图。 0016 图6实施例2所制备样品的 （a） 首次充、 放电曲线图和 （b） 循环性能图。 0017 图7实施例3所制备样品的 （a） 首次充、 放电曲线图和 （b） 循环性能图。 具体实施方式 0018 实施例 1 将香蒲果穗 （如图1） 在氢氧化钠溶液中超声处理2h， 再用去离子水清洗干净， 然后转移 至80的鼓风干燥箱中烘干； 。

13、取2mL硝酸加入8mL去离子水中， 搅拌均匀后加入1mmolGa (NO3)3xH2O， 再向溶液加入1.2g处理好的香蒲果穗， 超声处理2h， 然后转移至80的鼓风 干燥箱中烘干； 材料烘干后将其置于N2环境中， 以3/min的升温速度， 在500下煅烧5h， 得到生物质碳/Ga2O3复合材料。 所制备的样品经XRD图谱分析如图2所示， 25 有一个宽的衍 射峰， 对应的是无定形C， 由于Ga2O3结晶性较差， 图中没有Ga2O3衍射峰。 如图3为所制备的生 物质碳/Ga2O3复合材料锂离子电池负极的循环伏安曲线， 以0.25V和0.95V为中心的氧化峰 可归因于Ga的氧化过程， 1.0-0。

14、.02V范围的还原峰对应固体电解质的形成和Ga2O3还原过程。 结合XRD图谱、 循环伏安曲线， 可表明成功地制备了生物质碳/Ga2O3复合材料。 所制备的样品 的SEM如图4所示， 复合材料烧结之后呈纤维状， 表面有褶皱， 材料比表面积较大。 0019 将材料按如下方法制成电池： 将制得的样品与乙炔黑和聚偏氟乙烯按重量比为8: 1:1的比例混合， 以N-甲基毗咯烷酮为溶剂制成浆料， 涂覆在10 m厚度的铜箔上， 在60下 说明书 2/3 页 4 CN 111063877 A 4 干燥10h后， 裁剪成直径14mm的圆片， 在120下真空干燥12h。 以金属锂片为对电极， Celgard膜为隔。

15、膜， 溶解有LiPF6（1mmol/L） 的EC+DMC+DEC(体积比为1： 1： 1)溶液为电解液， 在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。 电池组装完后静置8h， 再用CT2001电池测试 系统进行恒流充放电测试， 测试电压为30.01 V， 电流密度为200 mA g-1。 如图5为所制备的 生物质碳/Ga2O3复合材料锂离子电池负极的首次充、 放电曲线和循环性能图， 首次充、 放电 比容量分别495.0和999.7mAh g-1， 有明显的充、 放电平台， 循环50次之后充、 放电容量分别 为446.0和446.4 mAh g-1， 显示了较好的电化学性能。 0020 实施例。

16、 2 将香蒲果穗 （如图1） 在氢氧化钠溶液中超声处理2h， 再用去离子水清洗干净， 然后转移 至80的鼓风干燥箱中烘干； 取2mL硝酸加入8mL去离子水中， 搅拌均匀后加入1mmolGa (NO3)3xH2O， 再向溶液加入1.2g处理好的香蒲果穗， 超声处理2h， 然后转移至80的鼓风 干燥箱中烘干； 材料烘干后将其置于N2环境中， 以3/min的升温速度， 在600下煅烧5h， 得到生物质碳/Ga2O3复合材料。 0021 将实施例2所得的材料按实施例1方法制成电池。 如图6所示， 首次充、 放电比容量 分别482.7和966.6mAh g-1， 有明显的充、 放电平台， 循环50次之后。

17、充、 放电容量分别为437.7 和439.6mAh g-1， 显示了较好的电化学性能。 0022 实施例 3 将香蒲果穗 （如图1） 在氢氧化钠溶液中超声处理2h， 再用去离子水清洗干净， 然后转移 至80的鼓风干燥箱中烘干； 取2mL硝酸加入8mL去离子水中， 搅拌均匀后加入1mmolGa (NO3)3xH2O， 再向溶液加入1.2g处理好的香蒲果穗， 超声处理2h， 然后转移至80的鼓风 干燥箱中烘干； 材料烘干后将其置于N2环境中， 以3/min的升温速度， 在700下煅烧5h， 得到生物质碳/Ga2O3复合材料。 0023 将实施例3所得的材料按实施例1方法制成电池。 如图7所示， 首次充、 放电比容量 分别497.4和991.0mAh g-1， 有明显的充、 放电平台， 循环50次之后充、 放电容量分别为447.6 和448.7mAh g-1， 显示了较好的电化学性能。 说明书 3/3 页 5 CN 111063877 A 5 图1 图2 说明书附图 1/3 页 6 CN 111063877 A 6 图3 图4 说明书附图 2/3 页 7 CN 111063877 A 7 图5 图6 图7 说明书附图 3/3 页 8 CN 111063877 A 8 。