一种生物-沥青基复合硬碳复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及生物-沥青基复合硬碳复合材料，具体为一种生物-沥青基复合硬碳复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、硬碳作为一种难以石墨化的无定形碳，其结构为乱层结构，孔隙多、材料各项同性好等特性，同时其材料的比表面积较大，缺陷较多，造成其材料的首次效率偏低，压实密度偏低，应用于全电池造成其正极克容量发挥较低，降低其能量密度。而提升硬碳材料的压实密度及其首次效率的主要方法有：选取缺陷度少、片层小、各项异性好的原料并对其表面的包覆，掺杂提升材料的动力学性能，提升材料的克容量发挥。目前市场化硬碳所用的原材料主要有树脂类材料、沥青基材料、煤基原材料、生物质材料等，树脂类材料具有比容量高、动力学差、成本高、一致性高、首次效率偏低只能用于高能量密度钠离子电池，而沥青基材料由于长程有序、短程无序使其材料的比容量偏低，首次效率高，动力学好，且材料的来源广泛、成本低适合于低能量密度钠离子电池，但是需要对其进行氧化交联提升材料的比容量，并提升材料的克容量发挥，因此需要将两种不同硬碳原料进行混合发挥其各自的优点，在提升能量的同时，兼顾动力学、首次效率和成本。

2、但是目前的市场化硬碳比容量低、首次效率不高但是成本高。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种生物-沥青基复合硬碳复合材料及其制备方法，改善了硬碳比容量低、首次效率不高但是成本高的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种生物-沥青基复合硬碳复合材料，包括：

5、沥青、咪唑离子液体、氨基树脂、钼酸钠、碳前驱体、醛基交联剂、氧化剂，上述材料的质量分数为：沥青份100份、咪唑离子液体500-2000份、氨基树脂100-200份、钼酸钠1-5份、碳前驱体100份、醛基交联剂10-30份、氧化剂1-5份。

6、一种生物-沥青基复合硬碳复合材料制备方法，包括以下步骤：

7、s1、按照上述比例准备所需的咪唑离子液体作为溶剂，然后将沥青粉体逐渐添加到咪唑离子液体中，进行搅拌并加热到50℃，直到沥青完全溶解于咪唑离子液体中，形成均匀的混合溶液；

8、s2、在混合溶液中，分3-5次添加所需量的氨基树脂和钼酸钠，持续搅拌混合物，将反应体系加热至温度范围为100℃-200℃，以确保均匀分散和反应，并保持反应时间为1-6小时，以使反应进行，得反应混合物；

9、s3、将反应混合物转移到滤纸上进行过滤，所得滤渣转移到真空干燥箱中，在80℃温度下真空干燥24h，得到硬碳前驱体材料；

10、s4、将硬碳前驱体材料放入容器中，逐渐加入所需量的醛基交联剂和氧化剂，并使用磁力搅拌子进行均匀混合，持续搅拌混合物，以确保醛基交联剂和氧化剂与硬碳前驱体均匀分散，得到前驱体混合物；

11、s5、将前驱体混合物转移到回转炉设备中，在温度范围为100℃-200℃下进行固化反应1-6小时；

12、s6、在固化后所得材料转移到管式炉中，通入氧气，并逐渐升温到1000℃-1400℃，进行碳化反应1-6小时，得到硬碳复合材料。

13、优选的，所述步骤s2中氨基树脂为脲醛树脂、三聚氰胺树脂、苯代三聚氰胺树脂中的一种，所述步骤s4中醛基交联剂为戊二醛、二十烷二醛、对苯二甲醛中的一种。

14、优选的，所述步骤s1中咪唑离子液体为1-丁基-3甲基咪唑溴、1-乙基-3甲基咪唑溴、1-丙烯基-3甲基咪唑溴、1-丁基-3甲基咪唑氯、1-乙基-3甲基咪唑氯或1-丙烯基-3甲基咪唑氯中的一种。

15、优选的，所述步骤s4中氧化剂为过硫酸铵，过硫酸钠中的一种。

16、优选的，所述步骤s1中所述搅拌采用磁力搅拌器，所述步骤s2中所述加热采用加热板进行加热，所述步骤s6中氧气的流量通常为100-1000立方厘米/分钟。

17、(三)有益效果

18、本发明提供了一种生物-沥青基复合硬碳复合材料及其制备方法。具备以下有益效果：

19、通过醛基交联剂与氧化剂的交联，氧化作用在其材料表面形成丰富的化学基团，提升材料的储钠功能，同时碳化后的钼酸钠实现钼掺杂硬碳，利用其钼自身高的比容量提升硬碳复合材料的比容量，及其钠离子的掺杂提升充放电过程中钠离子的传输速率，改善倍率性能，本发明还利用氨基树脂基硬碳具有比容量高、一致性好的特性及其沥青材料压实密度高、各项同性好的特性，提升材料的快充性能，及其钼酸钠在碳化过程中生成钠掺杂纳米微米孔洞提升材料的储钠功能，同时将沥青基溶解于咪唑交联剂使其沥青容易生成交联结构。

技术特征：

1.一种生物-沥青基复合硬碳复合材料，其特征在于，包括：

2.一种生物-沥青基复合硬碳复合材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种生物-沥青基复合硬碳复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤s2中氨基树脂为脲醛树脂、三聚氰胺树脂、苯代三聚氰胺树脂中的一种，所述步骤s4中醛基交联剂为戊二醛、二十烷二醛、对苯二甲醛中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种生物-沥青基复合硬碳复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤s1中咪唑离子液体为1-丁基-3甲基咪唑溴、1-乙基-3甲基咪唑溴、1-丙烯基-3甲基咪唑溴、1-丁基-3甲基咪唑氯、1-乙基-3甲基咪唑氯或1-丙烯基-3甲基咪唑氯中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种生物-沥青基复合硬碳复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤s4中氧化剂为过硫酸铵，过硫酸钠中的一种。

6.根据权利要求2所述的一种生物-沥青基复合硬碳复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤s1中所述搅拌采用磁力搅拌器，所述步骤s2中所述加热采用加热板进行加热，所述步骤s6中氧气的流量通常为100-1000立方厘米/分钟。

技术总结
本发明提供一种生物‑沥青基复合硬碳复合材料及其制备方法。该基于一种生物‑沥青基复合硬碳复合材料，包括，沥青、咪唑离子液体、氨基树脂、钼酸钠、碳前驱体、醛基交联剂、氧化剂，上述材料的质量分数为：沥青份100份、咪唑离子液体500‑2000份、氨基树脂100‑200份、钼酸钠1‑5份、醛基交联剂10‑30份、氧化剂1‑5份。通过醛基交联剂与氧化剂的交联，氧化作用在其材料表面形成丰富的化学基团，提升材料的储钠功能，同时碳化后的钼酸钠实现钼掺杂硬碳，利用其钼自身高的比容量提升硬碳复合材料的比容量，及其钠离子的掺杂提升充放电过程中钠离子的传输速率，改善倍率性能。

技术研发人员：赵磊,吕波,路鹏飞,郭明
受保护的技术使用者：丰镇市宏升炭素有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8