一种煤衍生碳纳米片作为锂电负极材料的制备方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，特别涉及煤衍生碳纳米片作为锂离子电池负极材料的制备方法。


背景技术：

2.锂离子电池因其具有高能量密度，已成功应用于便携式电子产品领域。锂离子电池的负极材料主要是石墨。石墨作为锂电负极的低温性能差，当温度低于零摄氏度时，其容量衰减严重，无法有效对设备充放电。无定性炭材料具备良好的低温倍率性能，能满足电子设备低温环境的使用要求。
3.煤在我国储量丰富，是一种有效的炭材料前驱体。其经过高温石墨化后可得到石墨材料，如cn107324327b。当改变其炭化处理工艺，可以得到煤衍生的无定性炭材料。如煤衍生富勒烯(fuel,2007,86,294)、煤衍生碳纳米管(energy&fuels,1993,7,436)和煤衍生介孔碳材料(carbon,2012,50,4911)。然而，上述煤衍生碳材料的制备工艺复杂，使用设备昂贵，难以规模化量产。因此开发新的方法，制备性能良好的煤衍生无定性碳材料，作为锂电负极在低温环境下使用具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对这一问题，本发明的目的在于提供一种煤衍生碳纳米片的制备方法。本方法制备工艺简单，所用设备和原料均价格低廉、易得。碳纳米片具有较高的比表面积和短的离子扩散路径，当其作为锂电负极时，在低温环境下能提供高比容量和良好的循环稳定性。该煤衍生碳纳米片的制备工艺主要包括：混料，碳化活化和除杂过程。本方法具有制备工艺简单、重复性高、成本低廉的特点。
5.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种煤衍生碳纳米片作为锂电负极材料的制备方法，包括：
7.步骤一：将煤破碎成100目以下的煤粉，取0.1-5.0g的煤粉加入到浓度为0.05-2m、体积为10-50ml的氯化物水溶液中，搅拌24小时；
8.步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在惰性气氛下于600-800度进行煅烧1-5h；
9.步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米片材料。
10.所述煤包括：焦煤、无烟煤、次烟煤、烟煤或褐煤中的一种或任意几种混合物。
11.所述氯化物包括：氯化锌、氯化铝和氯化镁中任意一种。
12.所述惰性气氛为ar或n2气氛。
13.本发明的工作原理为：
14.本发明主要采用氯化物活化碳化煤粉过程。煤中本身含有层状大分子结构，在氯化物的活化碳化过程中，不但使其本身的层状大分子接续组装成纳米片结构，并且使其在组装过程中发生碳原子无序排列，成无定性物相结构。碳纳米片能提供大比表面积和短扩
散路径，进一步提高电池容量和循环稳定性。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明的制备方法具有操作简便易行，可重复性强，成本低的特点。利用本方法制备的煤衍生碳纳米片作为锂离子电池的负极材料，能在低温下提供较高的比容量和良好的循环稳定性，它能够克服石墨负极低温电池比容量低，循环稳定性差的缺点。
附图说明
17.图1是本发明实施例1至4中制备的煤衍生碳纳米片的x射线衍射谱图。
18.图2是本发明实施例1至4中制备的煤衍生碳纳米片的扫描电镜图。
19.图3是本发明实施例1至4中制备的煤衍生碳纳米片作为锂离子电池负极材料的充电比容量图。
具体实施方式
20.下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
21.参见附图，本发明为一种煤衍生碳纳米片作为锂电负极材料的制备方法，包括：
22.步骤一：将煤破碎成100目以下的煤粉，取0.1-5.0g的煤粉加入到浓度为0.05-2m、体积为10-50ml的氯化物水溶液中，搅拌24小时；
23.步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在惰性气氛下于600-800度进行煅烧1-5h；
24.步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米片材料。
25.所述煤包括：焦煤、无烟煤、次烟煤、烟煤或褐煤中的一种或任意几种混合物。
26.所述氯化物包括：氯化锌、氯化铝和氯化镁中任意一种。
27.所述惰性气氛为ar或n2气氛。
28.实施例1采用本方法制备煤衍生碳纳米片材料
29.步骤一：将焦煤破碎成100目以下的煤粉，取0.1g的煤粉加入到浓度为0.05m,体积为10ml的氯化锌水溶液中，搅拌24小时；
30.步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在ar气氛下于600度进行煅烧5h；
31.步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米材料。
32.实施例2采用本方法制备煤衍生碳纳米片材料
33.步骤一：将无烟煤破碎成100目以下的煤粉，取1g的煤粉加入到浓度为0.5m,体积为20ml的氯化铝水溶液中，搅拌24小时；
34.步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在n2气氛下于650度进行煅烧4h；
35.步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米材料。
36.实施例3采用本方法制备煤衍生碳纳米片材料
37.步骤一：将烟煤破碎成100目以下的煤粉，取3g的煤粉加入到浓度为1m,体积为40ml的氯化镁水溶液中，搅拌24小时；
38.步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在ar气氛下于700度进行煅烧2h；
39.步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米材料。
40.实施例4采用本方法制备煤衍生碳纳米片材料
41.步骤一：将褐煤破碎成100目以下的煤粉，取5g的煤粉加入到浓度为2m,体积为50ml的氯化锌水溶液中，搅拌24小时；
42.步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在n2气氛下于800度进行煅烧1h；
43.步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米材料。
44.参见附图，图1为实施例1至4中制备的煤衍生碳纳米片的x射线衍射谱图。其中，横坐标是角度；纵坐标是相对强度。图中可看得到了煤衍生无定性结构的碳材料。
45.图2为实施例1至4中制备的煤衍生碳纳米片的扫描电镜图。从图中能够看出，碳纳米片的厚度约在60纳米,直径约在5微米。
46.图3为实施例1至4中制备的煤衍生碳纳米片作为锂离子电池负极材料，在零下5度的环境中的充放电比容量图。由图中可看出煤衍生碳纳米片首次充电比容量为1344mah/g，第二次充放电循环后比容量接近为550mah/g，经过100次循环后比容量保持率为98％(相对于第二次而言)。
47.本发明并不局限上述所列举的具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明工作原理和上面给出的具体实施方式，可以做出各种等同的修改、等同的替换、部件增减和重新组合，从而构成更多新的实施方式。


技术特征：
1.一种煤衍生碳纳米片作为锂电负极材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤一：将煤破碎成100目以下的煤粉，取0.1-5.0g的煤粉加入到浓度为0.05-2m、体积为10-50ml的氯化物水溶液中，搅拌24小时；步骤二：将上述混合液过滤，烘干，在惰性气氛下于600-800度进行煅烧1-5h；步骤三：将煅烧产物用浓度为1m的盐酸水溶液进行清洗除杂，烘干后得到煤衍生碳纳米片材料。2.根据权利要求1所述的一种煤衍生碳纳米片作为锂电负极材料的制备方法，其特征在于，所述煤包括：焦煤、无烟煤、次烟煤、烟煤或褐煤中的一种或任意几种混合物。3.根据权利要求1所述的一种煤衍生碳纳米片作为锂电负极材料的制备方法，其特征在于，所述氯化物包括：氯化锌、氯化铝和氯化镁中任意一种。4.根据权利要求1所述的冬青衍生碳作为钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为ar或n2气氛。

技术总结
我国煤储量丰富，而无定性碳材料具有良好的低温锂电性能，因此开发煤衍生碳作为高性能低温锂电负极材料具有重要意义。本发明通过氯化物活化碳化的工艺，获得了煤衍生无定性碳纳米材料。纳米片能提供高比表面积和短的锂离子扩散距离，因此它展示出良好的低温锂电性能。本方法工艺简单，重复性好，可规模化生产。可规模化生产。可规模化生产。


技术研发人员：杨甫 郑鹏
受保护的技术使用者：陕西省煤田地质集团有限公司
技术研发日：2021.07.14
技术公布日：2023/1/16