本发明专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种金属‑碳的复合负极材料的制备方法，将烟煤与金属源混合得混合料；混合料依次经一段烧结、二段烧结和三段烧结；得到所述的复合负极材料；其中，一段烧结的温度为300℃及以下；二段烧结的温度为400～600℃；三段烧结的温度为700～1200℃。本发明专利技术还包括采用所述的制备方法制得的负极材料，以及将该负极材料在制备锂离子电池负极中的应用。本发明专利技术独创性地采用烟煤作为原料；将该原料与金属源配合，并在所述的特有的三段烧结机制下，可制得具有优异电学性能的电池负极材料。
A Metal-Carbon Composite Anode Material and Its Preparation Method and Application
【技术实现步骤摘要】
一种金属-碳的复合负极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种高容量锂离子电池负极材料及其制备方法，属于电池负极材料领域。
技术介绍
锂离子电池在能量密度、循环寿命、适用范围及安全环保等方面具有诸多优点，是现阶段极具发展前景的能量转化与存储器件。负极材料是影响其综合性能的关键因素之一，得到了广泛而深入的研究。目前有报道可作为锂离子电池负极材料的种类主要包括碳材料、合金材料以及金属氧化物材料。其中，石墨类碳是主要的商业化负极材料，性能稳定但比容量较低；合金负极材料与氧化物负极材料都具有理论容量高且安全性能好的优点，是十分有潜力的新型负极材料，但锂离子的反复脱嵌会引起材料的体积膨胀和收缩，导致材料破碎和粉化，造成电池的首次容量损失大、循环稳定性差、倍率放电性能差等问题。为了解决合金或金属氧化物负极材料所存在的这些问题，现有的技术方案通常是以导电碳为缓冲骨架，将碳与合金或金属氧化物复合起来，有效缓冲其存在的体积膨胀并提高电极导电性，改善充放电过程中的结构稳定性。此外，将材料纳米化或薄膜化或制备三维多孔材料也可以在一定程度上解决其体积膨胀导致的循环性能不良的问题。专利CN10122344A将碳纳米纤维分散在钴盐溶液中，再加入碱溶液得到碳纳米纤维-氢氧化钴复合物，此复合物在一定气氛下热处理后可生成含钴氧化物的复合负极材料。专利CN104051718A将锡的氯化物水溶液与过渡金属氰化物水溶液混合，经过溶胶凝胶和冷冻干燥过程形成锡基氰胶体系，并以此为前驱体在空气或氧气气氛下进行热处理，得到一种三维纳米多孔二氧化锡基复合氧化物。虽然目前文献或专利中对合金类或金属氧化物类负极材料的改性处理大多能够有效地缓解导电性差和体积膨胀的问题，得到改善的电池电化学性能，但也存在所采用的制备工艺复杂、原材料昂贵、生产成本高等问题，不宜于实际生产和应用。
技术实现思路
本专利技术第一目的在于，提供了一种金属-碳的复合负极材料的制备方法。本专利技术的第二目的在于，提供了一种所述的制备方法制得的金属-碳的复合负极材料。本专利技术的第三目的在于，提供了所述的复合负极材料的应用。一种金属-碳的复合负极材料的制备方法，将烟煤与金属源混合得混合料；混合料依次经一段烧结、二段烧结和三段烧结；得到所述的复合负极材料；其中，一段烧结的温度为300℃及以下；二段烧结的温度为400-600℃；三段烧结的温度为700-1200℃。本专利技术独创性地采用烟煤作为原料；将该原料与金属源配合，并在所述的特有的三段烧结机制下，可制得具有优异电学性能的电池负极材料。作为优选，所述的烟煤为焦煤和/或肥煤。所述的烟煤优选为按中国煤炭分类(GB/T5751-2009)中的焦煤和/或肥煤。研究表面，采用所述的优选的烟煤，制得的负极材料的电学性能更优异。作为优选，所述的焦煤的无灰基挥发分含量为10％-28％，粘结指数为50-65％，胶质层最大厚度为≤25％。优选的奥阿膨胀度≤150％。进一步优选，所述焦煤的无灰基挥发分含量为15-25％，粘结指数为55％-60％，胶质层最大厚度为15-20％。作为优选，所述的肥煤的组分为无灰基挥发分含量为10-37％，粘结指数为≥85％，胶质层最大厚度为＞25％。进一步优选，所述肥煤的无灰基挥发分含量为20-30％，粘结指数为90％-95％，胶质层最大厚度为30-40％。作为优选，所述的烟煤中含有至少氮、硫、磷元素中的一种的杂元素。采用包含所述杂原子的烟煤有助于制得性能更优异的负极材料。作为优选，所述的烟煤中，杂元素在烟煤中的总含量不少于2wt％；进一步优选为4～10wt％。作为优选，烟煤在烧结前先进行提纯处理。通过纯化处理，可进一步提升制得的负极材料的电学性能。作为优选，控制提纯处理后的烟煤的灰分小于或等于0.5％。将提纯处理后的烟煤和所述的金属源混合后再进行所述的三级烧结，有助于进一步提升制得的负极材料的性能。本专利技术中，对烟煤进行纯化处理的方法可采用现有方法，本专利技术优选采用的提纯处理方法为酸法或碱法。作为优选，酸法步骤为：将经干燥、破碎、筛分后的烟煤加入到氢氟酸与硫酸质量比为10∶1-1∶10的混酸溶液中，总酸浓度调节至pH值为3-4，室温下搅拌反应2-5小时，经过滤、洗涤至中性，得到酸法纯化后的烟煤。作为优选，碱法步骤为：将经干燥、破碎、筛分后的烟煤加入至质量浓度为7.5-17.5％的碱金属氢氧化物的水溶液中并混合均匀，液固比控制在4-8，静置2-5小时后在105-120℃干燥箱内烘干，然后在惰性气氛下，在450-550℃的条件下焙烧1-3小时，焙烧产物经过滤、洗涤至中性，得到碱法纯化后的烟煤。碱法提纯过程中，所述的碱金属氢氧化物的水溶液优选为氢氧化钠水溶液。作为优选，所述的金属源为过渡金属的氧化物、盐、氢氧化物中的至少一种。进一步优选，所述的过渡金属为锡、锑、钴、锰、铁、钛、铬、镍、铜中的至少一种。作为优选，所述的金属源为所述金属的水溶性盐，优选为各自金属的氯化盐、硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐等。作为优选，所述的金属源为氯化亚锡、氯化锑、硫酸锑、氢氧化锑、醋酸钴、硝酸锰、醋酸锰、氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、氢氧化铁、氯化钛、氯化铬、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化铜、硫酸铜、硝酸铜中的至少一种。将烟煤或者提纯后的烟煤和金属源混合，混合方式可采用现有常规方法，例如搅拌混合、球磨混合、超声分散等；所述的球磨混合优选为湿法球磨混合。作为优选，金属源与烟煤的质量比为1∶20～20∶1；进一步优选，为1∶10～10∶10。本专利技术中，作为优选，可将烟煤与氧化处理的金属源在溶剂中充分混合，将混合溶液经干燥处理，得到所述的混合料。溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、甲苯、乙醚中的至少一种。本专利技术中，将混合溶液干燥的手段可采用现有方法。本专利技术中，优选将所述的混合溶液蒸发、干燥得所述的混合料。作为优选，所述的混合溶液在60-85℃温度下不断搅拌2-12小时，使水分缓慢蒸发形成胶黏体，然后放置于105-120℃干燥箱内烘干6-12小时，得到金属氧化物前驱体与烟煤的均匀混合料。本专利技术中，烧结过程在保护性气氛下进行；作为优选，所述的保护性气氛例如为氮气和/或惰性气体；所述的惰性气体为氦气、氩气、氖气中的至少一种。作为优选，一段烧结的温度为200-300℃。作为优选，在所述的一段烧结温度下保温烧结1-5h。一段烧结的升温速率为1-10℃/min。作为优选，二段烧结的温度为500-600℃。作为优选，在所述的二段烧结温度下保温烧结1-5h。作为优选，三段烧结的温度为800-1000℃。作为优选，在所述的三段烧结温度下保温烧结1-5h。二段烧结、三段烧结的升温速率均为1-5℃/min。作为优选，对烧结的物料进行粉碎、过筛处理，得到所述的电池负极材料。本专利技术提供的制备方法，以烟煤为原料，经过破碎、筛分、提纯、加入氧化物前驱体及三段式热解步骤而获得。优选的基于烟煤的电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：第一步：将作为原料的烟煤进行干燥、破碎与筛分，获得粒径在20微米以下的煤粉颗粒；第二步：将步骤一中获得的烟煤颗粒通过酸法或碱法工艺进行提纯处理，除去烟煤中的金属杂质，获得灰分小于0.5％的纯化烟煤；第三步：将步骤二中纯化后的烟煤按照1∶20-20∶1的比例加入到含有金属源的溶液中，在60-85℃温度下不本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属‑碳的复合负极材料的制备方法，其特征在于，将烟煤与金属源混合得混合料；混合料依次经一段烧结、二段烧结和三段烧结；得到所述的复合负极材料；其中，一段烧结的温度为300℃及以下；二段烧结的温度为400～600℃；三段烧结的温度为700～1200℃。
【技术特征摘要】
1.一种金属-碳的复合负极材料的制备方法，其特征在于，将烟煤与金属源混合得混合料；混合料依次经一段烧结、二段烧结和三段烧结；得到所述的复合负极材料；其中，一段烧结的温度为300℃及以下；二段烧结的温度为400～600℃；三段烧结的温度为700～1200℃。2.如权利要求1所述的金属-碳的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述的烟煤为焦煤和/或肥煤；优选的焦煤的无灰基挥发分含量为10-28％，粘结指数为50-65％，胶质层最大厚度为≤25％；优选的肥煤的组分为无灰基挥发分含量为10-37％，粘结指数为≥85％，胶质层最大厚度为＞25％。3.如权利要求1或2所述的金属-碳的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述的烟煤中含有至少氮、硫、磷元素中的一种的杂元素；杂元素在烟煤中的总含量不少于2wt％。4.如权利要求1～3任一项所述的金属-碳的复合负极材料的制备方法，其特征在于，烟煤在烧结前先进行提纯处理，控制提纯处理后的烟煤的灰分小于或等于0.5％；所述的提纯处理方法优选为酸法或碱法；其中，酸法步骤为：将经干燥、破碎、筛分后的烟煤加入到氢氟酸与硫酸质量比为10∶1-1∶10的混酸溶液中，总酸浓度调节至pH值为3-4，室温下搅拌反应2-5小时，经过滤、洗涤至中性，得到酸法纯化后的烟煤；碱法步骤为：将经干燥、破碎、筛分后的烟煤加入至质量浓度为7...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓剑，
申请(专利权)人：湖南晋烨高科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。