[发明专利]废弃塑料掺混共热转化的低阶煤基硬碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种废弃塑料掺混共热转化的低阶煤基硬碳材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、原料预处理：对原煤进行破碎筛分，得到目标粒径的原煤粉体；步骤二、酸洗脱灰：先将原煤粉体依次使用盐酸、水、氢氟酸、水进行酸洗脱灰处理，然后充分干燥；步骤三、废塑料掺混碳化：将酸洗干燥后的原煤粉体与废塑料掺混均匀，在惰性气体中预碳化，得到预碳化产物；步骤四、高温碳化：将预碳化产物研磨均匀后，在惰性气体中进行二次碳化，得到低阶煤基硬碳材料。发明仅在传统直接碳化流程中增加了塑料掺杂和预碳化过程，制备方法简单、处理方便、成本低廉，且可有效提高低阶煤基硬碳材料的储钠/容量，利于商业化应用。

技术领域

本发明涉及一种电极材料的制备方法，具体涉及一种用于电池负极的基于塑料掺混共热转化的低阶煤基硬碳负极材料的制备方法。

背景技术

全球电化学储能中装机占比超80％的锂离子电池面临锂资源储量小、分布不均等难以满足迅速扩大的储能需求，矿质差异大造成的电池级锂原料价格逐年攀升等问题；钠与锂同族、物化性质类似，丰度数十倍于锂且源于海洋，被认为是锂离子电池的重要替代品之一。碳负极材料面临质量比容量低、密度低等应用性能问题，是钠离子电池性能提升的关键一环。

煤炭作为自然界中储量最丰富的、价格最低廉的天然碳源，且具有初始芳香化的大分子结构为碳材料的功能化设计提供了结构基础，具有发展成硬碳、软碳、石墨乃至石墨烯的巨大潜力。无烟煤等高阶煤种由于具有较大的芳香基元结构，所制备的碳材料晶格间距较小、片层尺寸较大，不利于钠/钾离子嵌入储存容量及倍率性能的进一步提升，短程有序类石墨晶体结构的构筑才是钠离子快速、高密度嵌入储存的关键。褐煤、次烟煤等低阶煤具有较年轻的煤分子结构，其芳环数为1～4环，在热转化过程中容易形成高无序度的硬碳材料。这些短程有序但呈无序排列的类石墨晶型在用于钠/钾离子储运时存在导电性差、离子输运受阻，从而导致比容量低或大电流放电能力差的问题。

芳香烃类化合物在惰性气氛中，升温至350～500℃进行液相碳化时，分子内发生热解、环化、缩聚和芳构化等一系列化学反应，聚合反应程度不断提高，分子热运动加剧，分子之间碰撞的频率增加，在垂直平面方向分子之间因范德华力和分子偶极矩而产生缔合，形成短程排列，聚集堆积，生成的流动相及转换行为可深刻影响后续高温碳化阶段的微晶发展。

大量废塑料被丢弃于自然环境中，造成“微塑料”污染等问题，目前已有部分学者将废塑料经过简单一步碳化制备钠离子电池硬碳负极材料，但存在高电流密度下倍率性能较差的问题。塑料作为一种热塑性聚合物，较低温度下呈熔融态，且其热解失重区间与低阶煤热解温区重合度高，具有协同转化的可能。利用废弃塑料的这一特性，有望实现在与煤共热转化过程实现微晶和孔隙的调制，进而改善低阶煤基硬碳材料在储钠应用中的基础电化学特性。

发明内容

本发明针对传统直接碳化低阶煤基硬碳材料储钠能力较差的技术瓶颈，以增大低阶煤高温碳化过程中石墨微晶层间距为目标，提供了一种废弃塑料掺混共热转化的低阶煤基硬碳材料的制备方法。该方法通过将废弃塑料按一定比例与煤粉掺混，调控煤的热转化过程，使其发展为高比容量、高大电流放电能力的储钠碳负极材料。具体地，以褐煤、次烟煤等低阶煤为主要原料，通过废弃塑料掺混分别在较低温(250～400℃)下提供流动相，改变煤中芳香片层原有的组织重排方式，优化片层取向有序性，同时引入共振稳定的自由基作为成核剂，诱导煤中热缩聚过程；在较高温(400～700℃)下熔融在煤粉间的塑料残留物进一步气化，形成微纳孔隙，优化离子、溶剂分子的传质通道。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种废弃塑料掺混共热转化的低阶煤基硬碳材料的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、原料预处理：

对原煤进行破碎筛分，得到目标粒径的原煤粉体，其中：

考虑到废塑料掺杂预碳化、再二次碳化方法对碳材料石墨微晶/孔隙结构调控的实际效果，所述原煤为褐煤一号、褐煤二号、烟煤中的一种或多种混合；