[发明专利]一种氮掺杂碳包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物负极材料的制备方法及其产品与应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物负极材料的制备方法及其产品与应用。该制备方法包括如下步骤：(1)将铝电解废阴极纯化炭材料与氯化物进行混合球磨处理后，进行两段熔盐插层反应，得到铝电解废阴极纯化炭层间化合物；所述氯化物由氯化物C1和氯化物C2组成；(2)通过液相包覆方式在纯化炭层间化合物表面包覆具有氮原子的无定型炭层，高温碳化后得到具有核壳结构的氮掺杂碳包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物负极材料。本发明制备出的负极材料具有炭层间距大、结构稳定等优点，提供了一种容量高且循环寿命长的负极材料，对进一步实现铝电解废阴极纯化炭的高值化利用具有重要意义。

技术领域

本发明属于铝电解工业资源综合利用技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物负极材料的制备方法及其产品与应用。

背景技术

铝电解废阴极炭块是电解铝工业在生产原铝时产生的危险固体废弃物，具有排放量大，对生态环境威胁性大的特点。虽然目前针对铝电解废阴极炭块无害化处理的主流工艺可实现铝电解废阴极炭块的高效除杂，但除杂过程中存在资源难以综合回收利用及除杂后的纯化炭难以高值化利用等不足，造成资源浪费。

铝电解废阴极纯化炭是一种石墨化度高且纯度高的资源，在二次电池用电极材料方面展现出巨大的潜力。利用熔盐插层法可在纯化炭碳层间引入金属氯化物，扩大炭层间距，但充放电过程中，层间化合物中部分金属氯化物溶解和碳层间金属离子嵌入/脱出会引起电极材料涨缩效应，导致容量衰减严重。

发明内容

为解决铝电解废阴极纯化炭材料炭层间距较小和充放电过程导致的涨缩效应问题，本发明提供一种氮掺杂碳包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物负极材料的制备方法及其产品与应用，采用该方法制备的负极材料具有循环寿命长，充放电容量高的特点。

为了实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的这种氮掺杂碳包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配比将铝电解废阴极纯化炭材料、氯化物混合，进行球磨后，置于反应釜内，于加热炉中先后共进行两段热处理后，清洗、干燥，得到铝电解废阴极纯化炭层间化合物；

2)按配比将包覆剂与添加剂混合均匀后，将其溶解在有机溶剂中形成有机介质；

3)将步骤1)得到的层间化合物与步骤2)得到的有机介质按配比混合，分散均匀后，干燥，得到前驱体；

4)将步骤3)得到的前驱体置于惰性气氛下进行碳化处理，得到氮掺杂炭包覆铝电解废阴极纯化炭层间化合物。

作为优选的方案，所述步骤1)中，所述铝电解废阴极纯化炭负极是经过除杂处理后的炭材料，其炭材料纯度不低于80％，粒度为-200目，石墨化度不低于75％；所述球磨中球磨珠的直径为0.5～2.0cm，球磨机的转速为400～800rpm，球料质量比为(3～10):1，球磨时间为3～9h，球磨珠材质为不锈钢球、氧化锆球、玛瑙球中的至少一种。

本发明中，对铝电解废阴极纯化炭材料和氯化物进行混合球磨不仅可以使两者充分混合均匀，有利于后续熔融扩散过程中氯化物在碳层间的均匀扩散，还可以起到将铝电解废阴极纯化炭材料破碎细化作用，缩短熔融金属氯化物的扩散长度，减少扩散反应所需的时间，并相应增大扩散反应的面积，加快金属氯化物进入炭层间进程，使得插层过程更加充分。此外，球磨引起的炭材料颗粒细化也有利于后续炭包覆过程的进行。

作为优选的方案，所述步骤1)中，铝电解废阴极纯化炭材料与氯化物的质量比为1:(0.1～5)，所述氯化物由质量比为1:(0.1～1)的氯化物C1和氯化物C2组成，其中，氯化物C1为氯化铜、氯化铋、氯化铁、氯化钼、氯化钴、氯化铝、氯化锰、氯化铬中的至少一种，氯化物C2为氯化亚砜、磺酰氯、氯乙酸、六氯乙烷、氯硅烷中的至少一种。