一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法，包括以下步骤：将三聚氰胺或尿素置于瓷舟中，墩实粉末，加盖密封，置于马弗炉中，慢速升温，获得氮化碳粉末；将铁钴镍的可溶性盐溶于适量水中，获得澄清溶液；将氮化碳粉末置于水中，搅拌生成悬浊液并逐滴加入澄清溶液，搅拌后,抽滤,烘干,处理制得催化剂/氮化碳粉末；将固态的沥青破碎至沥青粉，液态的重油残渣前驱体不作处理；将催化剂/氮化碳粉末和沥青粉直接固态混合；将上述混匀料置于水平管式炉中，惰性气氛下，慢速升温，恒温煅烧0.5

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法


[0001]本专利技术属于功能材料
，特别是涉及一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着今年电子储能元器件的发展，锂离子电池目前已经是电动设备中不可或缺的重要部分。锂电负极有碳基和非碳基材料。炭基材料具有优异的物理化学稳定性及导电性能，应用最为广泛，如人造石墨，天然石墨，中间相碳微球，均已经量产。但是石墨类材料的插层存储方式导致其容量低(理论比容量372mAh/g)，倍率性能不佳。大电流充放电过程容易造成石墨层的脱落。因此，石墨的低能量密度已经无法满足如今对于锂离子动力电池的需求。除石墨类碳负极之外，非碳负极材料，如氮化物，硅基材料，锡基材料，新型合金等研究也层出不穷。以硅基材料容量最高(理论比容量4200mAh/g)。然而，在硅作为锂电负极的充放电过程中，硅锂合金化步骤伴随着巨大的体积效应(体积膨胀>300％)，容易造成材料粉化，导致其寿命不长(不超过几百圈)。而且硅基材料导电性不佳，限制了其发展。
[0003]由于炭基材料具有优良的导电性和物理化学稳定性，碳基材料依然是作为锂电负极的最优选择。从理论上讲，具有较高的石墨化度和大的比表面积，有利于实现锂离子的存储和迁移。目前制备高石墨化度碳的方法分为两类，一类是通过小分子前驱体通过在模板上聚合获得丰富的孔结构，后续高温石墨化。另一类通过使用生物质高温碳化活化来获得。如武汉理工大学以SiO2纳米粒子为模板作为非金属催化剂，在植酸表面生长聚苯胺，获得了具有高石墨化度和大比表面积的多孔炭质材料用作锂离子电池和钠离子电池，获得了较高的容量和优异的倍率性能(J.Mater.Chem.A,2021,9,1260
‑
1268)。中国科学院大连化学物理研究所使用具有热膨胀性质的碳前驱体在低温下膨胀，形成一种凝胶结构，然后再进一步高温石墨化获得具有发达孔道结构的高石墨化度碳(CN108178156A)。天津理工大学通过预碳化和1300℃高温下碳化2小时，后经酸洗纯化获得硬碳负极材料，作为锂电负极在10mA/g的电流密度下，获得了350mAh/g的比容量(CN113651307A)。上述方法步骤繁琐，无法避免模板的去除，并能耗较高，所需的温度通常高于1000度，对设备的安全要求性也高。此外，高温石墨化过程还会造成孔结构的缩小或坍塌。
[0004]因此，在较低温度下，通过简单的途径获得高石墨化度的多孔炭是急需解决的难题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术问题中制备炭基材料步骤繁琐，过程温度高于1000℃易造成孔结构的缩小或坍塌等缺点，本专利技术旨在提供一种较低温度下一步法合成具有高石墨化度的多孔炭的方法，该方法制备步骤简单，安全性高，制备的一种高石墨化度多孔炭基材料可应用于锂电负极或其他电化学储能方面。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：一种用于锂电负极的高石
墨化度炭基材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，将三聚氰胺或尿素置于瓷舟中，将粉末墩实，加盖密封，置于马弗炉中，慢速升温至400
‑
600℃，保温1
‑
5小时获得薄层状浅黄色氮化碳粉末；
[0008]步骤2，将铁钴镍的可溶性盐溶于适量水中，获得澄清溶液；
[0009]步骤3，将步骤1中的氮化碳粉末置于水中，搅拌使其形成悬浊液，将步骤2中的澄清溶液逐滴滴入悬浊液中，搅拌0.5
‑
1h后,抽滤,烘干，制得多孔的催化剂/氮化碳粉末；
[0010]步骤4，将固态的沥青破碎至沥青粉，液态的重油残渣前驱体不作处理；
[0011]步骤5，将催化剂/氮化碳粉末和沥青粉以1:0.1
‑
10的比例直接固态混合；或将具有流动态的重油残渣前驱体直接加入氮化碳粉末中，搅拌成糊状；
[0012]步骤6，将步骤5中的混合物置于水平管式炉中，惰性气氛保护下，慢速升温至600
‑
900℃，恒温煅烧0.5
‑
5h，制备得到高石墨化度炭基材料。
[0013]进一步地说，所述步骤1中慢速升温是以每分钟1
‑
5℃升温。
[0014]进一步地说，所述步骤2中可溶性盐为硫酸盐或硝酸盐。
[0015]进一步地说，所述步骤2中也可加入钼酸铵助剂。
[0016]进一步地说，所述步骤3中，进行烘干后，还包括活化处理步骤，具体包括：
[0017]将烘干后的产物置于真空管式炉装置中，3
×
103Pa
‑5×
103Pa真空度下，以每分钟10
‑
20℃的速率升温至500
‑
800℃，保持温度恒定0.5
‑
3h，降低温度至室温，获得活化处理后的催化剂/氮化碳粉末；
[0018]用蒸馏水或1
‑
2mol/L的盐酸搅拌清洗催化剂/氮化碳粉末并清洗至中性，50
‑
100℃下干燥1
‑
2h，得到多孔的催化剂/氮化碳粉末产物，活化处理后的粉末产物比表面积高，多孔结构稳定。
[0019]进一步地说，所述步骤4中沥青粉的粒径为100
‑
500目。
[0020]进一步地说，所述步骤5中固态混合方式可以是粉碎机搅拌、低温球磨或手动搅拌。
[0021]进一步地说，所述步骤6中惰性气氛为氮气或氩气。
[0022]进一步地说，所述步骤6中慢速升温是以每分钟2
‑
10℃升温。
[0023]进一步地说，所述步骤6中，恒温煅烧后，还包括等离子体处理步骤，具体包括：
[0024]将恒温煅烧后的产物冷却至室温，并置于5
×
10
‑3Pa
‑
10
×
10
‑3Pa的真空密闭容器中，保持温度30
‑
50℃，电流0.1
‑
0.3A下通入高纯氩气产生等离子体，处理产物10
‑
30分钟，蒸馏水多次清洗处理后的产物，50
‑
100℃烘干，获得分散均匀的高石墨化度炭基材料。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026]本专利技术旨在提供一种较低温度下一步法合成具有高石墨化度多孔炭基材料的方法，该方法制备步骤简单，安全性高，制备的一种高石墨化度多孔炭基材料可应用于锂电负极或其他电化学储能方面。
[0027]本专利技术以三聚氰胺或尿素为原料，加入铁钴镍的可溶性盐溶液，搅拌，抽滤，烘干，处理制得的催化剂/氮化碳粉末具有高比表面积，多孔结构稳定的特性；加入沥青，与多孔的催化剂/氮化碳粉末搅拌混合，获得拥有致密多孔结构的混合物，从而可提供大量的空腔应用于储锂；惰性气氛下加热处理致密的混合物并等离子体处理，还原混合物材料表面的金属离子，减少流失，制得分散均匀的高石墨化度多孔炭基材料具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，将三聚氰胺或尿素置于瓷舟中，将粉末墩实，加盖密封，置于马弗炉中，慢速升温至400
‑
600℃，保温1
‑
5小时获得薄层状浅黄色氮化碳粉末；步骤2，将铁钴镍的可溶性盐溶于适量水中，获得澄清溶液；步骤3，将步骤1中的氮化碳粉末置于水中，搅拌使其形成悬浊液，将步骤2中的澄清溶液逐滴滴入悬浊液中，搅拌0.5
‑
1h后,抽滤,烘干，制得多孔的催化剂/氮化碳粉末；步骤4，将固态的沥青破碎至沥青粉，液态的重油残渣前驱体不作处理；步骤5，将催化剂/氮化碳粉末和沥青粉以1:0.1
‑
10的比例直接固态混合；或将具有流动态的重油残渣前驱体直接加入氮化碳粉末中，搅拌成糊状；步骤6，将步骤5中的混合物置于水平管式炉中，惰性气氛保护下，慢速升温至600
‑
900℃，恒温煅烧0.5
‑
5h，制备得到高石墨化度炭基材料。2.根据权利要求1所述的一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中慢速升温是以每分钟1
‑
5℃升温。3.根据权利要求1所述的一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中可溶性盐为硫酸盐或硝酸盐。4.根据权利要求1所述的一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中也可加入钼酸铵助剂。5.根据权利要求1所述的一种用于锂电负极的高石墨化度炭基材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，进行烘干后，还包括活化处理步骤，具体包括：将烘干后的产物置于真空管式炉装置中，3
×
103Pa
‑5×
103Pa真空度下，以每分钟10
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋欣钰，张磊，姜瑞雨，
申请(专利权)人：盐城工学院技术转移中心有限公司，
类型：发明
国别省市：