绿茶渣基生物质碳材料的制备及其在锂电负极材料中的应用

收稿日期:2018-11-26

基金项目：安徽农业大学稳定和引进人才科研项目(wd2018-05),安徽省高校自然科学研究项目(KJ2019A0216)作者简介:张春艳(1980-),安徽宣城人,博士,安徽农业大学理学院,讲师,研究方向为电化学材料的研制及应用。

1前言

可充电锂离子电池，作为最受欢迎的电源和能源存储设备之一，已被广泛的应用于可携带式电子设备、电动车、电网等行业中[1]。随着市场需求的不断加大，人们迫切需要开发高性能、高能量密度的电极材料以满足它的发展与需求[2-4]。生物质碳源来源广泛，可以来自于植物和动物，也可以来源于森林作物的残留物、

农业作物及其残留物、海洋废弃物和工业废弃物及一些副产品[5]。在生产或消费过程中产生的一些生物废弃物（如秸秆、果壳皮，茶渣等），如若处理不当则会带来环境污染问题。但若能将其变废为宝，则是一个非常有意义的研究课题。Zhang 课题组[6]在碱性条件下将谷物秸秆进行水热处理，再在惰性气体保护下进行碳化，所得的产物作为锂离子电池负极材料显示出优秀的储锂能力。Jiang 等人[7]用水热处理法将一次性竹筷用碱处理及

碳化处理后，制备成多孔碳纤维，

再将其与KMnO 4水热处理后生成C/MnO 2/C 纤维复合材料，将其作

为锂离子电池负极材料进行充放电性能测试时展现出良好的循环性能和倍率性能。柚子皮[8]、香蕉皮[9]、花生壳[10]等生物质碳源在锂离子电池电极材料应用中也展现了较好的性能。

我国是以生产绿茶为主的茶叶大国，绿茶经沸水浸泡获得茶汤后，剩下的不溶于水的物质就是茶渣。目前，大部分的茶渣都未被重视，只是当做普通的生活废弃物随意丢弃，经过长时间的堆放，风吹日晒，散发出异味，严重污染了周边的生活环境。如果能开发茶渣可重复利用的价值，一方面可以有效地减少对生态环境的破坏，另一方面还可以有效地提高废物的重复可利用率。

本研究选用绿茶茶渣为碳源，在惰性气体保护下通过高温煅烧得到生物质碳材料，

再将其做为锂离子电池负极材料进行充放电性能测试。由于这类生物质碳源储量丰富、方便易得，制成的生物质碳材料性能优异，有望成为锂离子电池负极材料的理想碳源。

摘

要:以绿茶的茶渣作为碳源,通过在N 2气氛下高温热处理制得碳材料,该碳材料作为锂离子电池负

极材料具有优良的电化学性能。充放电性能测试结果表明在电流密度为100mA ·g -1下,它的首次放电比容量达到730mA h ·g -1,循环80次之后仍具有360mA h ·g -1的放电比容量,展现了良好的循环稳定性能。该碳材料的制备过程简单,原料来源丰富且能“变废为宝”。

关键词:锂离子电池;负极材料;绿茶茶渣;生物质中图分类号:O611.4

文献标识码:A

文章编号:1672-447X (2019)05-0031-004

张春艳1,余浩2,潘

乐3

（1.安徽农业大学理学院，安徽合肥230036；2.安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥230036；

3.黄山学院化学化工学院，

安徽黄山245041）绿茶渣基生物质碳材料的制备及其

在锂电负极材料中的应用

2019年10月

Oct.2019

2材料与方法

2.1试剂与仪器

绿茶产自安徽宣城；乙醇、乙炔黑、聚偏四氟乙烯、电解液（LiPF6/EC+DEC）均购自国药集团化学试剂有限公司，试剂均为分析纯，使用前不需做进一步处理。真空手套箱，布莱恩惰性气体系统有限公司（上海）；电化学工作站，上海辰华仪器公司CHI660D；新威高性能电池检测系统，深圳市新威尔电子有限公司；X射线衍射仪为辽宁丹东浩元产DX-2700；场发射扫描式电子显微镜型号为Hitachi S-4800。

2.2方法

2.2.1碳材料的制备

将开水充分冲泡后的绿茶渣于100℃恒温干燥箱充分干燥后研磨成粉，称取一定量粉末于瓷舟内，放置在N2气氛下的管式炉中，在800℃碳化处理2h，获得黑色的碳化产物。

2.2.2仪器与表征

产物的物相由X射线衍射仪进行表征，其型号为辽宁丹东浩元产DX-2700，以Cu Kα射线作为发射源（波长：1.54056魡，扫描速率：0.04°/s），加速电压和电流则分别为35kV和25mA，扫描的2θ范围为10-80°。样品形貌和微观结构测试是在HitachiS-4800场发射扫描式电子显微镜上进行，电压为80kV。

2.2.3电池的组装及电化学性能测试

将碳化产物、乙炔黑和聚偏四氟乙烯按质量比8:1:1混合，用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为分散剂进行研磨配制，将浆料通过刮刀涂膜机均匀地涂布在铜箔上，放入80℃的烘箱里干燥12h后冲片，制备成直径为20mm的电极片。电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，电解液为1.0M LiPF6的碳酸乙烯酯（EC）/碳酸二乙酯（DEC）（体积比为1:1）混合液，隔膜为聚丙烯（PP）微孔膜，金属锂片为对电极组装成2016型扣式电池。组装好的电池放置10h 后在电池测试系统上进行充放电性能测试，电压范围设为0.05-3.00V。扣式电池的循环伏安测试（CV）和交流阻抗测试（EIS）在CHI880电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）上完成。CV测试的电压扫描范围为3-0V,扫描速率为0.1mV/s，EIS测试的小振幅电压为5mV，频率范围为0.01Hz和1.0MHz。

3结果与分析

3.1产物的物相分析

XRD谱图用来表征茶渣碳化后的产物。由图1可见，在2θ为24°和44°附近出现了两个明显的衍射峰，分别对应于六方面心结构碳的（002）和（100）晶面（JCPDS No.41-1487）。根据文献报道，说明产物具有较低的石墨化程度，这类碳材料通常由很多无序堆积的石墨烯片组成[6,7,10]。

图1绿茶茶渣基碳材料的XRD谱图

3.2产物的形貌分析

产物形貌通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察得到的。由图2可见，经过N2气氛高温热处理后得到产物犹如一块大棉布，连续性较好。碳材料表面有明显的褶皱，且片层间交叉相连，留下大量的孔道。在充放电过程中这些褶皱和孔道有利于锂离子和电解液的快速传输，并且可

以作为锂离子储存的“池塘”。

图2产物的SEM图

1020304050607080

（degree）2θ

（100）

（002）