[发明专利]一种湿法纺丝制备纤维素基碳纤维的方法及其在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开一种湿法纺丝制备纤维素基碳纤维的方法。该方法将纤维素溶于有机溶剂制成纺丝液，进行湿法纺丝，在经过碳化处理，即可得到纤维素基碳纤维。本发明选择了DMAc/LiCl体系溶解纤维素、进行湿法纺丝制备碳纤维，制得的碳纤维可以作为锂离子电池负极材料使用。

技术领域

本发明属于材料领域，具体为一种湿法纺丝制备纤维素基碳纤维的方法及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

纤维素是地球上最丰富的有机资源，具有良好的生物相容性和可降解再生性，对环境无污染。因此，随着石油、煤炭资源的日益枯竭和环境问题的紧张，加快对纤维素的研究开发对人类生态及环境保护，实现可持续发展具有重要意义。自然界中的纤维素来源有竹子、棉花、芦苇、树木等，是自然界取之不尽用之不竭的可再生资源。纤维素及其衍生物产品，除用于塑料、纺织和造纸等传统工业外，还在化工、医药、建筑、电化学等领域得到广泛的开发和应用。

纤维素及其衍生物作为电极和粘结剂的研究已经吸引了越来越多的注意力。目前，已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等。但负极材料存在充放电过程中首次循环库伦效率低和体积变化大的现象，且循环使用性能较差，因此提高负极材料的循环稳定性成为研究负极材料的主要目标。

佟明等人申请的专利号201610636275.3的发明专利提出了一种可循环利用纤维素基锂电池负极材料的制备方法，取苎麻纤维素与碱溶液混合超声处理，静置抽滤得滤饼干燥后，与冰醋酸等搅拌反应，调节pH值，冷藏离心干燥得改性粉末，与二氯甲烷等混合旋转蒸发，抽滤滤饼洗涤干燥，与硝酸铁等搅拌混合，通氩气煅烧制得可循环利用纤维素基锂电池负极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素基碳纤维的制备方法；该方法将纤维素溶于有机溶剂制成纺丝液，进行湿法纺丝，在经过碳化处理，即可得到纤维素基碳纤维。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

纤维素基碳材料的制备方法，包括以下步骤：纺丝液配置、湿法纺丝、纤维碳化。

步骤(1)、纺丝液配置：

将干燥的纤维素加入到一定量的二甲基乙酰胺DMAc溶剂中，在保护气体下150～165℃处理20～30min，然后冷却至100℃后并加入预先称量的LiCl，接着在80℃下连续搅拌10～40min至纤维素完全溶解。由于得到的纤维素溶液含有杂质和气泡，经过过滤和脱泡处理制得透明的纤维素溶液，其中的纤维素质量分数为0.5～15﹪，LiCl的质量分数为3～18﹪。

所述的纤维素、LiCl、DMAc均为无水绝干处理的原料；

步骤(1)所述的纤维素为植物纤维素中的任一种，聚合度为400～1300。

步骤(2)、湿法纺丝：

将步骤(1)获得的纤维素溶液喂到计量泵中，调整挤出量参数，经过喷丝头喷出后直接进入凝固浴，并牵伸、卷绕、干燥形成初生丝条；

所述的牵伸率为20～50％。

所述纤维素纤维丝条成型条件为：纤维素纤维丝条在凝固浴中深度为10～400mm；凝固浴的温度为18～35℃，凝固浴的组成为H₂O。

步骤(3)、纤维碳化：

将干燥后的纤维素纤维放入气氛炉中碳化处理加热至600～1200℃，冷却后得到纤维素基碳纤维材料，具体是：将得到的纤维素纤维在保护气体中由常温开始升温，以1～20℃/min速率升温至200～350℃，并在此温度下保温1～3h，然后以1～20℃/min速率升温至600～1200℃，保温1～3h，自然降温至常温后取出即得到碳纤维材料。

所述的保护气体为氮气、氩气或氦气。