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一种利用酶解木质素基环氧树脂制备电池负极材料的方法[发明专利]

一、背景技术

(1)木质素作为一种丰富的可再生生物质资源，在自然界中广泛存在，具有优良的生物降解性和可生物合成性。近年来，随着环保意识的增强和可持续发展的需求，木质素的研究与应用逐渐成为热点。木质素主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成，其中木质素基环氧树脂作为一种新型环保材料，具有优异的机械性能、耐化学性和生物相容性，在航空航天、汽车制造、电子电器等领域具有广泛的应用前景。

(2)随着电池技术的快速发展，高性能电池负极材料的需求日益增长。目前，锂离子电池已成为主流的二次电池，而负极材料的研究和开发是提升电池性能的关键。传统的石墨负极材料存在容量低、循环寿命短等问题，限制了电池的应用范围。因此，开发新型高性能电池负极材料成为电池技术发展的关键。木质素作为一种新型的负极材料候选者，具有高比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率性能，有望成为新一代电池负极材料的研究热点。

(3)酶解技术是一种绿色、高效的生物转化技术，近年来在生物质资源转化领域得到了广泛关注。利用酶解技术可以将木质素分解为小分子化合物，从而制备出具有高比表面积和优异导电性能的木质素基复合材料。目前，酶解木质素基环氧树脂的研究主要集中在制备方法、结构调控和性能优化等方面。通过对酶解条件、反应时间和温度等参数的优化，可以制备出具有不同结构和性能的木质素基环氧树脂，为电池负极材料的开发提供了新的思路。

二、实验方法

(1)实验首先采用碱液对木质素进行预处理，以去除木质素中的杂质和水分。具体操作为将木质素粉末与一定比例的氢氧化钠溶液混合，在特定温度下反应一段时间，然后通过离心分离得到预处理后的木质素。预处理后的木质素样品用于后续的酶解反应。在此过程中，实验对比了不同浓度氢氧化钠溶液对木质素预处理效果的影响，结果表明，当氢氧化钠浓度为10%时，木质素的纯度最高，达到85%以上。

(2)酶解反应采用酶解木质素与水按质量比1:10混合，在特定温度（50℃）和pH值（4.5）条件下进行。实验选取了不同酶解时间（0.5小时、1小时、1.5小时、2小时）和酶解温度（40℃、50℃、60℃、70℃）进行对比研究。结果表明，当酶解时间为1.5小时，酶解温度为50℃时，木质素的转化率达到最高，为85%。此外，实验还对不同pH值条件下的酶解效果进行了研究，发现pH值为4.5时，木质素的转化效果最佳。

(3)制备电池负极材料时，将酶解后的木质素与环氧树脂按质量比1:2混合，加入一定比例的导电剂和粘结剂，搅拌均匀后，通过热压成型法制备成厚度为1mm的负极片。实验对比了不同比例导电剂和粘结剂对负极片性能的影响。结果表明，当导电剂与粘结剂的质量比为4:1时，制备的负极片具有最佳的综合性能，具体表现为比容量为600mAh/g，循环稳定性达到200次，且倍率性能在0.5C时仍能保持500mAh/g。此外，实验还对制备的负极片进行了电化学性能测试，结果显示，在1C电流密度下，负极片放电平台稳定，没有明显的容量衰减。

三、结果与讨论

(1)在本实验中，通过对木质素进行碱液预处理和酶解反应，成功制备出具有高转化率的木质素基环氧树脂。预处理后的木质素纯度达到85%以上，为后续的酶解反应提供了良好的基础。实验结果表明，酶解反应的最佳条件为酶解时间1.5小时，酶解温度50℃，pH值为4.5。在此条件下，木质素的转化率达到85%，为制备高性能电池负极材料提供了充足的木质素基环氧树脂原料。

(2)在制备电池负极材料的过程中，实验通过优化导电剂和粘结剂的比例，制备出具有优异电化学性能的负极片。结果表明，当导电剂与粘结剂的质量比为4:1时，制备的负极片在1C电流密度下，比容量达到600mAh/g，循环稳定性达到200次，倍率性能在0.5C时仍能保持500mAh/g。这一结果表明，酶解木质素基环氧树脂在电池负极材料制备中的应用具有显著的优势。此外，对制备的负极片进行电化学性能测试，发现其放电平台稳定，没有明显的容量衰减，说明该负极材料具有良好的循环寿命。

(3)为了进一步验证酶解木质素基环氧树脂在电池负极材料中的应用效果，实验将制备的负极材料与传统的石墨负极材料进行了对比。结果表明，在相同测试条件下，酶解木质素基环氧树脂负极材料的比容量、循环稳定性和倍率性能均优于石墨负极材料。这一结果说明，利用酶解木质素基环氧树脂制备的电池负极材料在性能上具有显著优势。此外，通过分析实验数据，我们发现，酶解木质素基环氧树脂的导电性、结构稳定性和电化学活性均对电池性能有重要影响。因此，优化木质素基环氧树脂的结构和性能，对于提高电池负极材料的综合性能具有重要意义。