掺氮中间相碳微球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池材料技术领域，公开了一种掺氮中间相碳微球及其制备方法和应用，掺氮中间相碳微球包括中间相碳微球和氮元素，氮元素掺杂于中间相碳微球的片层结构中，其制备方法是将沥青加热至半凝固态，再通入萘蒸汽，得到各向同性沥青，对各向同性沥青进行热缩聚反应，冷却，再进行萃取，取萃取液进行过滤、清洗和烘干，得到中间相碳微球，将中间相碳微球、缺陷引入剂和极性溶剂混匀，烘干，烧结，得到带缺陷的中间相碳微球，将带缺陷的中间相碳微球和氨水混合并加热反应，过滤，清洗滤渣，得到掺氮中间相碳微球。通过本发明专利技术合成的掺氮中间相碳微球材料能够极大地提高材料的均一性，具有优异的充放电容量和结构稳定性。具有优异的充放电容量和结构稳定性。具有优异的充放电容量和结构稳定性。

【技术实现步骤摘要】
掺氮中间相碳微球及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料
，具体涉及一种掺氮中间相碳微球及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后，对电池的续航提出了新的要求。当前锂电材料克容量较低，不能满足终端对电池日益增长的需求。市面上份额最大的负极材料石墨类负极的372mAh/g已经远远跟不上电子产品市场的所要求的大续航、大容量的技术指标需求。
[0003]20世纪60年代研究学者发现了球形碳材料，最近再次成为科研工作者研究的焦点。科研工作者发现焦炭的形成过程中沥青类化合物在热处理过程中会发生中间相转变，生成中间相小球。1973年，Honda和Yamada把中间小球从沥青母体中分离出来，并把分离出来的微米级球形材料成为中间相微球。由于中间相碳微球的球形结构，导致其具有良好的堆积密度，其作为锂离子电池材料有着非常大的嵌锂容量。此外，中间相碳微球具有平行排列的石墨片层结构，有利于锂离子的嵌入与脱嵌。再者，由于中间相碳微球具有较小的外比表面积，其在充放电过程中发生边界反应少，因此，中间相碳微球可作为锂离子电池的优选材料。
[0004]到目前为止，中间相碳微球材料用于锂电池的负极都有报道，但是绝大部分的中间相碳微球材料作为锂电池的负极时其充放电容量和循环寿命依然有提升的空间。因此，寻找新型的具有高容量和长循环使用寿命的中间相碳微球负极材料是锂电池领域亟待突破的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种掺氮中间相碳微球及其制备方法和应用，能够极大地提高材料的均一性，具有优异的充放电容量和结构稳定性。
[0006]一种掺氮中间相碳微球，包括中间相碳微球和氮元素，所述氮元素掺杂于中间相碳微球的片层结构中。
[0007]在本专利技术的一些实施方式中，所述掺氮中间相碳微球中碳原子和氮原子的摩尔比为(99.5～99.8):(0.5～0.2)，比表面积为2710m2/g，1C倍率下首次放电比容量大于1011mAh/g，首次充放电效率大于86％，循环1000次的放电容量保持率大于85％。
[0008]本专利技术还提供一种掺氮中间相碳微球的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将沥青加热至半凝固态，再通入萘蒸汽，得到各向同性沥青；
[0010](2)对所述各向同性沥青进行热缩聚反应，冷却，再进行萃取，取萃取液进行过滤、清洗和烘干，得到中间相碳微球；
[0011](3)将所述中间相碳微球、缺陷引入剂和极性溶剂混匀，烘干，烧结，得到带缺陷的
中间相碳微球；
[0012](4)将所述带缺陷的中间相碳微球和氨水混合并加热反应，过滤，清洗滤渣，得到掺氮中间相碳微球；所述缺陷引入剂为8
‑
羟基喹啉铝。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(1)中，所述萘蒸汽通过以下方法产生：将萘置于有氮气的反应器中以5～10℃的升温速率加热至210～230℃。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(1)中，所述加热是以2～5℃的升温速率加热至85～95℃。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(1)中，所述萘与沥青的摩尔比为1:(0.1～1)。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(2)中，所述热缩聚反应的步骤为：在氮气气氛下，以2～4℃/min的升温速率加热至400～420℃，保温2～4h。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(2)中，所述萃取过程中所用溶剂为四氢呋喃；所述萃取是在50～60℃下恒温搅拌12
‑
14h后，分液。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(2)中，所述清洗采用的溶剂为甲醇，所述烘干的温度为60～80℃。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(3)中，所述极性溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮；所述中间相碳微球、8
‑
羟基喹啉铝和极性溶剂的固液比为1kg:(0.5～1)kg:(1～2)L。N
‑
甲基吡咯烷酮具有优良的分散作用，有利于中间相碳微球材料与8
‑
羟基喹啉铝的充分均匀接触。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(3)中，所述烧结的气氛为氮气，烧结的温度为500～600℃，升温速率为2～4℃/min。
[0021]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(4)中，所述带缺陷的中间相碳微球和氨水的固液比为1:(20～30)kg/L；所述加热反应的温度为160～200℃，时间为8～12h。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，步骤(4)中，所述清洗采用的溶剂为乙醇，清洗的次数为3次。
[0023]本专利技术还提供一种锂离子电池，其负极片由以下步骤制得：将所述掺氮中间相碳微球与乙炔黑混合，球磨，所得混合物粉末与PVDF和N
‑
甲基吡喏烷酮混匀制得浆料，涂布、烘干制成所述负极片。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，所述掺氮中间相碳微球与乙炔黑的重量比为1:(0.1～0.3)。
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，所述球磨的转速为3000～6000r/min，时间为10～20min。
[0026]在本专利技术的一些实施方式中，所述混合物粉末、PVDF和N
‑
甲基吡喏烷酮的固液比为1kg:(0.1～0.15)kg:(0.1～0.5)L。
[0027]本专利技术至少具有以下有益效果：
[0028]1、通过本专利技术合成的掺氮中间相碳微球材料能够极大地提高材料的均一性，具有优异的充放电容量和结构稳定性，1C倍率下首次放电比容量可以达到1162.3mAh/g，首次充放电效率达到93.9％，循环1000次的放电容量保持率达到94.6％。
[0029]2、本专利技术以8
‑
羟基喹啉铝作为缺陷引入剂，提供了嵌锂位点，再以氨水热反应掺入氮元素，实现在中间相碳微球上进行掺氮处理，增强了材料的电子密度，显著增加了其充放电容量。
[0030]3、本专利技术设计的掺氮中间相碳微球具有类似于石墨材料层状结构，氮元素掺杂于中间相碳微球的片层结构中，形成C
‑
N键，C原子被N原子占据，该结构优于传统石墨的充放电容量，这得益于微球材料构筑了更多的边界嵌锂位点，比表面积也大大提高，达到2700m2/g以上，提高了容量。
[0031]4、由于沥青的内部受加工过程中的冷热不均，会导致体相与表相，甚至是体相中各部位形成的内应力不均一，而造成材料内部结构的不均一性，通过较热的萘蒸汽预处理，可以释放沥青材料体相的内应力，保证材料内部状况均一。
附图说明
[0032]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明，其中：
[0033]图1为本专利技术实施例2的掺氮中间相碳微球的SEM图；
[0034]图2为本专利技术实施例2与对比例的循环性能图。
具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺氮中间相碳微球，其特征在于，包括中间相碳微球和氮元素，所述氮元素掺杂于中间相碳微球的片层结构中。2.根据权利要求1所述的掺氮中间相碳微球，其特征在于，所述掺氮中间相碳微球中碳原子和氮原子的摩尔比为(99.5～99.8):(0.5～0.2)，比表面积为2700～2800m2/g，1C倍率下首次放电比容量大于1011mAh/g，首次充放电效率大于86％，循环1000次的放电容量保持率大于85％。3.权利要求1或2所述的掺氮中间相碳微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将沥青加热至半凝固态，再通入萘蒸汽，得到各向同性沥青；(2)对所述各向同性沥青进行热缩聚反应，冷却，再进行萃取，取萃取液进行过滤、清洗和烘干，得到中间相碳微球；(3)将所述中间相碳微球、缺陷引入剂和极性溶剂混匀，烘干，烧结，得到带缺陷的中间相碳微球；(4)将所述带缺陷的中间相碳微球和氨水混合并加热反应，过滤，清洗滤渣，得到掺氮中间相碳微球；所述缺陷引入剂为8
‑
羟基喹啉铝。4.根据权利要求3所述的掺氮中间相碳微球，其特征在于，步骤(1)中，所述萘蒸汽通过以下方法产生：将萘置于有氮气的反应器中以5～10℃的升温速率加热至210～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：余海军，彭挺，谢英豪，朱红梅，李长东，
申请(专利权)人：湖南邦普循环科技有限公司湖南邦普汽车循环有限公司，
类型：发明
国别省市：