[发明专利]一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法

说明书

一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法本发明涉及一种低成本煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法。以新疆黑山产煤为碳源，经混酸处理后与聚丙烯腈共溶于N,N‑二甲基甲酰胺中配制成纺丝液，再经静电纺丝技术、预氧化、碳化和化学活化处理等工艺制备出煤基多孔碳纤维。制备的材料具有大的比表面积和丰富的孔结构，将其用于锂离子电池和钠离子电池负极材料时，表现出高的放电容量和优异的循环稳定性。本发明建立了一种利用新疆煤制备多孔碳纤维负极材料的方法，实现了煤炭的高附加值利用，因而具有重要的研究意义。

技术领域

本发明涉及一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法。

背景技术

锂/钠离子电池是一种绿色清洁储能装置，其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、质量轻、没有记忆效应、自放电小且无公害等特点。目前已应用于各种电子设备、大规模电网储能和新能源汽车等领域。锂/钠离子电池主要由电极、隔膜、电解液组成，其中电极材料对电池性能起着关键作用。因此，设计与开发具有高容量、长循环寿命和优异倍率性能的电极材料，是推动锂/钠离子电池快速发展的关键。

静电纺丝是一种绿色、高效、条件可控的制备连续碳纳米纤维的技术。静电纺丝法制备的纤维形貌均一，尺寸可控，且可以实现批量生产。

煤炭是天然的碳材料，将其制备成高附加值碳材料，不仅是一种高效利用煤炭资源的有效方式，也为煤炭资源转化提供了思路。我国煤炭资源丰富，品种齐全，分布广泛。新疆煤炭资源预测储量为2.19万亿吨，占全国预测储量的40%。其种类以长焰煤、弱粘结煤和不粘结煤为主，具有氢碳比例高、挥发分高、反应活性高等特点，是煤制碳的优质廉价资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本煤基多孔碳纤维的制备方法。

本发明涉及一种低成本煤基多孔碳纤维的制备。其通过静电纺丝得到煤基碳纤维无纺布，然后经过预氧化、碳化和化学活化处理，制备得到煤基多孔碳纤维，将其用作锂离子电池和钠离子电池的负极材料，展现了优异的电化学性能。

其合成步骤包括以下几步：首先，将10 g煤粉加入5 L的玻璃烧杯中，搅拌下加入240 mL混酸溶液（V_浓硝酸:V_浓硫酸=1:3），搅拌至完全氧化后，加入3 L去离子水稀释静置一晚上后离心、洗涤，然后在鼓风干燥箱中80 ℃干燥得到氧化煤。

将0.8 g 聚丙烯腈加入10 mL N，N-二甲基甲酰胺中，在60 ℃下加热搅拌至完全溶解，再将0.8 g 氧化煤溶于上述溶液中，搅拌12 h 得到纺丝原液。

将纺丝液倒入一个带有20号金属针头的一次性塑料注射器中，将其置于静电纺丝机注射泵上，在电压17 kV、推注速度0.1 mm/min、接收距离18 cm (注射器针头与接收器之间的距离)的条件下进行静电纺丝，得到纤维无纺布；将纤维无纺布固定，置于恒温鼓风干燥箱中，以2 ℃/min 的升温速率加热至250 ℃ 保温两小时进行预氧化；然后将材料置于高温管式炉中，在N₂保护下以5 ℃/min 的升温速率加热至800 ℃ 保温两小时后使其自然冷却至室温，得到煤基碳纤维。

将0.3 g的煤基碳纤维加入KOH溶液中（1.2 g的KOH溶解于20 mL蒸馏水和20 mL乙醇中 ）置于油浴锅中80℃加热搅拌至溶剂全部挥发至干。随后将煤基碳纤维置于管式炉中以5 ℃/min的升温速率加热至800 ℃ 后保温1 h 以进行KOH活化。冷却至室温后取出将其浸于1 M HCl 中搅拌3 h，然后用蒸馏水冲洗至滤液为中性。最后在80 ℃下干燥12 h 得到煤基多孔碳纤维。

附图说明

图1为本发明以煤为碳源，采用静电纺丝法和化学活化法制备的多孔煤基碳纤维的SEM和TEM图，由图1a可看出，制备的多孔煤基碳纤维尺寸约为 300 nm；由图1b表明材料内部有大量均匀分布的孔，且碳为无定型碳。