一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法与流程

本发明涉及电池材料领域，具体涉及一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法。

背景技术：

锂离子电池的主要由正极材料、负极材料、电解液及隔膜组成，其中，锂离子电池在充电时，锂离子充电时，锂离子从富锂的正极材料(一般为多元富锂化合物，如钴酸锂，磷酸铁锂等)转移到负极材料(可脱嵌锂材料)中，伴随着锂离子的脱出和嵌入。同样，电池放时，锂离子从负极材料中转移到正极材料，恢复未充电时的状态。由于在充放电时锂离子是在正负极之间来回迁移，所以锂离子电池通常又称“摇椅电池”。

而在负极材料的选择上，除了要求其具有较高的可逆比容量外，负极材料的嵌锂电位、脱嵌锂过程体积变化率、导电性及其成本等都成为非常重要的考察因素。可形成合金化的材料，如单质硅、锡、锗等,在充放电过程中体积变化较大，循环性能较差，往往需要特殊的纳米结构作为缓冲，制备方法复杂，且成本较高。目前商业化使用的石墨材料，其理论容量较低(只有372mah/g)，难以满足电池能量密度不断提升的需要，因此开发新型负极材料成为目前研究的热点之一。

技术实现要素：

为克服现有负极材料存在的容量低，或制备困难、成本高，或循环稳定性差的缺点，本发明的目的在于提供一种可逆容量高、成本低，适合大电流充放电的锂电池负极用多孔炭材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：

1)以含炭有机物与去离子水配制得到的质量浓度为10％-50％炭源溶液，与作为模板的水溶性盐充分混合、烘干、研磨，得到混合物a；含炭有机物与模板的质量比为1:10-2:1；

2)将混合物a在惰性气氛中高温炭化，得到产物b；

3)将产物b水洗去除模板，然后烘干得到产物c；

4)向产物c中加入碱作为催化剂进行充分混合，产物c与碱催化剂的质量比例为10:1-1:2，得到混合物d；

5)将混合物d在惰性气氛中高温炭化，得到产物e；

6)向产物e中加入稀酸溶液去除残余杂质，水洗烘干即得到兼具微孔、中孔和大孔的锂离子电池负极多孔炭材料f。

进一步地，所述含炭有机物为酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖或聚乙烯醇。

进一步地，所述模板为nacl、na2so4或mgso4。

进一步地，所述步骤2)的炭化条件为：惰性气氛为n2或ar，或者两者的混合气，炭化温度为500-700℃，炭化时间1-2小时；所述步骤5)的炭化条件为：惰性气氛为n2或ar，或者两者的混合气，炭化温度为600-900℃，炭化时间1-3小时。

进一步地，所述催化剂为naoh或koh。

进一步地，所述稀酸溶液为hno3溶液、hcl溶液和醋酸溶液中的一种或多种的混合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

可溶性盐在与炭源溶液充分混合并烘干之后，可溶性盐可结晶形成不同尺寸的纳米颗粒，在进一步炭化过程中，盐纳米颗粒自身不会分解，炭源在纳米颗粒表面炭化。后续水洗去除纳米颗粒模板后，模板所在位置转化为纳米孔道。后续采用碱作为催化剂活化，可进一步扩大纳米孔道尺寸形成中大孔。同时，催化剂会在炭材料表面活化产生大量微孔，最终形成兼具微-中-大孔结构的炭材料，其中大量微孔可为锂离子嵌入脱出提供大量活性位点，孔径稍大的中孔作为锂离子进入炭材料内部的快速传输通道，同时提供较大的电容容量，而大孔可在大倍率充放电时为离子传输提供缓冲。本发明制备方法炭源来源广泛，水溶性模板去除容易，并可重复使用，炭材料整体制备过程简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；其中1为炭源溶液，2为水溶性盐，3为混合物a，4为产物b，5为模板溶液，6为产物c，7为催化剂，8为混合物d，9为产物e，10为稀酸溶液，11为锂离子电池负极多孔炭材料。

图2为本发明的结构示意图；其中a为大孔，b为中孔，c为微孔。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

如图1，一种锂离子电池负极多孔炭材料的制备方法，在制备过程中以含炭有机物溶液为炭源溶液1，炭源溶液的质量浓度为10％-50％，采用水溶性盐2为模板，充分混合、烘干、研磨，得到混合物a3，含炭有机物与模板的质量比为1:10-2:1，在惰性气氛中高温炭化，得到产物4，产物4经水洗去除模板，所得液体为模板溶液5，所得固体烘干得到产物c6；向产物c6中加入碱催化剂7，产物c与碱催化剂的质量比例为10:1-1:2，进一步研磨混合，得到混合物d8，然后在惰性气氛中高温炭化，催化造孔，进一步扩孔及形成产物e9；然后加入稀酸溶液10去除残余杂质，从而得到兼具微孔c、中孔b和大孔a多级孔道结构的锂离子电池负极多孔炭材料11。

其中，含炭有机物包括但不限于如酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖和聚乙烯醇；模板包括但不限于nacl、na2so4、mgso4等；催化剂碱包括但不限于如naoh、koh；惰性气氛为n2或ar，或者两者的混合气。炭化分为两步进行，第一步温度为500-700℃，炭化时间1-2小时；第二步温度为600-900℃，炭化时间1-3小时；去除催化剂杂质的稀酸溶液包括但不限于hno3溶液、hcl溶液、醋酸溶液等，或多种酸的混酸溶液。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

以可溶性酚醛树脂为炭源，配制成质量浓度为30％的炭源溶液，按照有机物炭源与模板比例为1:10加入的nacl模板，充分混合，烘干、研磨。n2惰性气氛保护下，500℃炭化1h，冷却后水洗，去除模板；得到的产品烘干，按照质量比为10:1的比例加入naoh作为碱催化剂，混合，继续在n2惰性气氛保护下，600℃炭化1h，用稀hno3充分洗涤后，水洗烘干得到最终的多孔炭样品1。

实施例2

以葡萄糖为炭源，配制成质量浓度为50％的炭源溶液，按照有机物炭源与模板比例为2:1加入的na2so4模板，充分混合，烘干、研磨。ar惰性气氛保护下，700℃炭化2h，冷却后水洗，去除模板；得到的产品烘干，按照质量比为1:2的比例加入koh作为碱催化剂，混合，继续在ar惰性气氛保护下，900℃炭化3h，用稀hcl充分洗涤后，水洗烘干得到最终的多孔炭样品2。

实施例3

以蔗糖为炭源，配制成质量浓度为10％的炭源溶液，按照有机物炭源与模板比例为1:1加入的mgso4模板，充分混合，烘干、研磨。n2/ar(50％/50％)混合惰性气氛保护下，600℃炭化1.5h，冷却后水洗，去除模板；得到的产品烘干，按照质量比为10:1的比例加入naoh作为碱催化剂，混合，继续在n2/ar(50％/50％)混合惰性气氛保护下，800℃炭化2h，用醋酸充分洗涤后，水洗烘干得到最终的多孔炭样品3。

实施例4

以聚乙烯醇为炭源，配制成质量浓度为50％的炭源溶液，按照有机物炭源与模板比例为2:1加入的nacl模板，充分混合，烘干、研磨。n2惰性气氛保护下，700℃炭化2h，冷却后水洗，去除模板；得到的产品烘干，按照质量比为1:2的比例加入koh作为碱催化剂，混合，继续在n2惰性气氛保护下，900℃炭化3h，用混酸(10％hcl+10％醋酸)充分洗涤后，水洗烘干得到最终的多孔炭样品4。

以上是对本发明进行的阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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