本发明专利技术公开一种类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其设备工艺简单、所需碳化温度低、成本低廉、产量高、性能好等优点，具有广阔的应用前景。通过该方法获得的类石墨烯、无定形碳和碳纳米管的复合结构碳材料以及各种元素掺杂改性的锂离子电池碳负极材料不仅具有高的导电率和比容量，并且循环性能获得大幅提高，其特殊的复合结构更赋予其更多更新更好的性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及化学电池领域，尤其涉及。
技术介绍
锂离子电池是新一代的绿色高能电池，具有重量轻、体积比能量高、工作电压高、 无环境污染等优点，是现代通讯、IT和便携式电子产品(如移动电话、笔记本电脑、摄像机等)的理想化学电源，也是未来电动汽车优选的动力电源，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。负极材料是锂离子电池的关键材料之一，而碳质材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池负极的材料，至今仍受到广泛关注。碳质材料主要具有以下优点比容量高 O0(T400mAh/g)，电极电位低(<1.0V vs Li+/Li)，循环效率高(>95%)，循环寿命长，成本较低。目前研究较多的碳质负极材料有人造石墨、天然石墨、中间相炭微球(MCMB)、高比容量碳化物、石油焦、热解树脂碳、纳米碳材料等。这些碳负极材料都有各自的优缺点，如石墨具有良好的层状结构，具有良好的电压平台。但石墨对电解液非常敏感，与溶剂相容性差；此外，石墨的大电流充放电能力低。同时，在充放电循环过程中，石墨层间距变化较大；而且还会发生锂与有机溶剂共同插入石墨层间以及有机溶剂的进一步分解，容易造成石墨层逐步剥落、石墨颗粒发生崩裂和粉化，从而降低石墨材料寿命。表面氧化、碳包覆、表面沉积金属或金属氧化物等方法可有效的改善石墨与电解液相容性差的问题，碳基材料的球形化也能改善材料的大电流充放电性能。中间相炭微球(MCMB)的嵌锂容量比较大。其表面光滑，比表面积较小，可以减少在充放电过程中电极边界反应的发生，从而降低第一次充电过程中的容量损失；另外，小球具有片层状的结构，有利于锂离子从球的各个方向嵌入和脱嵌，解决了石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片溶涨、塌陷和不能快速大电流放电的问题。它存在的主要问题是比容量不高，热处理温度高使得其制作成本高。高比容量碳化物具有很高的嵌锂容量，同时其热处理温度比传统石墨结构的碳要低很多，一般均低于1000°c，因此引起了人们的关注。 但是部分裂解的炭化物存在电极电位过高、电压滞后(即嵌锂电位小于脱锂电位)以及首次循环不可逆容量大等缺点，目前尚未工业化应用。石油焦具有非结晶结构，呈涡轮层状，含有一定量的杂质，难以制备高纯碳，但资源丰富，价格低廉。石油焦的最大理论化学嵌锂容量为LiC12，电化学比容量为186 mAh/g。 但石油焦本身作为电池负极材料的性能很差，这主要是由于插锂时，碳质材料会发生体积膨胀，降低电池寿命。纳米碳质材料由于具有独特的纳米微观结构及形貌，可望更加有效地提高材料的可逆嵌锂容量和循环寿命，从而成为新一代高性能化学电源的崭新材料。纳米碳质材料主要由于管径(或晶粒)为纳米级尺寸，管与管(或晶粒与晶粒)之间相互交错的缝隙也是纳米数量级，使其具有优越的嵌锂特性，锂离子不仅可嵌入到管内各管径间、管芯(如碳纳米管)，而且可嵌入到管间(或晶粒间)的缝隙之中，为锂离子提供了大量的嵌入空间位置， 从而有利于提高锂离子电池的充放电容量、循环寿命及电流密度。由于纳米碳质材料具有传统碳质材料无法比拟的高比容量，已成为新一代锂离子电池负极材料的研究重点。但纳米碳质材料作为锂离子电池的负极活性物质时，存在电压滞后现象和较大的不可逆容量损失，此外，其充放电电位平台不是很明显。但是这些碳负极材料都存在着与电解液的相容性差、较大的不可逆容量损失、高倍率放电性能差、以及高温下容易出现安全隐患等问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种新型的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，旨在解决现有技术中制备的碳负极材料存在着与电解液的相容性差、较大的不可逆容量损失、高倍率放电性能差、以及高温下容易出现安全隐患的问题。本专利技术的技术方案如下，其中，包括以下步骤 SlOOjf自制的液态丙烯腈低聚物溶液在8(T200°C下搅拌8-72小时，形成微环化的丙烯腈低聚物溶液；S200、将微环化的丙烯腈低聚物溶液在20(T30(TC下热处理1-20小时，形成具有一定梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；S300、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨，过筛，室温干燥得到热氧化前躯体； S400、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，50(T1800 °C煅烧6- 小时，热氧化前躯体即碳化形成多种结构的锂离子电池碳负极材料；所述锂离子电池碳负极材料的多种结构为类石墨烯结构碳、石墨、无定形碳、碳纳米管、热解碳以及它们组成的复合碳。所述的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其中，步骤SlOO还包括以下步骤在微环化的丙烯腈低聚物溶液加入掺杂物并混合均勻，对其进行掺杂改性。所述的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其中，所述液态丙烯腈低聚物相对分子量为106-100000 ；所述液态丙烯腈低聚物是丙烯腈的均聚物，或者是丙烯腈与其它烯类单体的共聚物，其它烯类单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、亚甲基丁二酸中的一种。所述的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其中，所述液态丙烯腈低聚物相对分子量为1600-25000。所述的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其中，所述在微环化的LPAN溶液加入掺杂物并混合均勻的过程中，掺杂物的加入量按质量比为掺杂物液态丙烯腈低聚物=0.01-0. 8:1 ；所述混合均勻的方式为搅拌、超声或球磨。所述的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其中，所述掺杂物为金属掺杂物或非金属掺杂物；所述金属掺杂物为锡、铜、银、铝、铬、铁、钛、锰、镍、钴金属的金属本身、金属氧化物、金属氮化物、金属硼化物、金属氟化物、金属溴化物、金属硫化物或者金属有机化合物中的一种或者多种混合；所述非金属掺杂物为硅、磷、硼、氮、碳等单质及其化合物中的一种或者多种。所述的类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其中，步骤S400中煅烧时所用的惰性气氛为氮气或氩气。本专利技术所提供的的制备方法，其设备工艺简单、所需碳化温度低、成本低廉、产量高、性能好等优点，具有广阔的应用前景。通过该方法获得的类石墨烯、无定形碳和碳纳米管的复合结构碳材料以及各种元素掺杂改性的锂离子电池碳负极材料不仅具有高的导电率和比容量，并且循环性能获得大幅提高，其特殊的复合结构更赋予其更多更新更好的性能。附图说明图1为实施例1所制备产物的SEM图；产物为无定形碳。图2为实施例2所制备产物的SEM图；产物为无定形碳。图3为实施例3所制备产物的SEM图；产物为无定形碳和碳纳米管复合碳负极材料。图4为实施例3所制备产物的TEM图；产物为具有类石墨烯结构复合碳负极材料。图5为实施例4所制备产物的SEM图；产物为表面附着有氧化锡颗粒的碳纳米管碳负极材料。图6为实施例7所制备产物的SEM图；产物为掺杂有氧化钛的碳纳米管碳负极材料。图7为实施例3产物中碳纳米管的Raman光谱，产物碳峰中既有无定形碳的D峰， 又有石墨碳的G峰和G’峰。实施例3产物中G峰和G’峰强，表示实施例3产物中石墨化程度高。图8为实施例2所制备产物的电池性能；产物比容量高、循环性能好。图9为实施例2所制备产物的高倍率充放电性能；产物高倍率充放电性能好。具体实施例方式本专利技术提供，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种类石墨烯结构的锂离子电池碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：Ｓ１００、将自制的液态丙烯腈低聚物溶液在８０～２００℃下搅拌８－７２小时，形成微环化的丙烯腈低聚物溶液；Ｓ２００、将微环化的丙烯腈低聚物溶液在２００～３００℃下热处理１－２０小时，形成具有一定梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；Ｓ３００、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨，过筛，室温干燥得到热氧化前躯体；Ｓ４００、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，５００～１８００ ℃煅烧６－２４小时，热氧化前躯体即碳化形成多种结构的锂离子电池碳负极材料；所述锂离子电池碳负极材料的多种结构为类石墨烯结构碳、石墨、无定形碳、碳纳米管、热解碳以及它们组成的复合碳。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑洪，徐坚，吴双泉，张黔玲，何传新，朱才镇，
申请(专利权)人：刘剑洪，
类型：发明
国别省市：94
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