一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法技术

一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法本发明专利技术涉及一种低成本煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法。以新疆黑山产煤为碳源，经混酸处理后与聚丙烯腈共溶于N,N

【技术实现步骤摘要】
一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种锂/钠离子电池的煤基多孔碳纤维负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]锂/钠离子电池是一种绿色清洁储能装置，其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、质量轻、没有记忆效应、自放电小且无公害等特点。目前已应用于各种电子设备、大规模电网储能和新能源汽车等领域。锂/钠离子电池主要由电极、隔膜、电解液组成，其中电极材料对电池性能起着关键作用。因此，设计与开发具有高容量、长循环寿命和优异倍率性能的电极材料，是推动锂/钠离子电池快速发展的关键。
[0003]静电纺丝是一种绿色、高效、条件可控的制备连续碳纳米纤维的技术。静电纺丝法制备的纤维形貌均一，尺寸可控，且可以实现批量生产。
[0004]煤炭是天然的碳材料，将其制备成高附加值碳材料，不仅是一种高效利用煤炭资源的有效方式，也为煤炭资源转化提供了思路。我国煤炭资源丰富，品种齐全，分布广泛。新疆煤炭资源预测储量为2.19万亿吨，占全国预测储量的40%。其种类以长焰煤、弱粘结煤和不粘结煤为主，具有氢碳比例高、挥发分高、反应活性高等特点，是煤制碳的优质廉价资源。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种低成本煤基多孔碳纤维的制备方法。
[0006]本专利技术涉及一种低成本煤基多孔碳纤维的制备。其通过静电纺丝得到煤基碳纤维无纺布，然后经过预氧化、碳化和化学活化处理，制备得到煤基多孔碳纤维，将其用作锂离子电池和钠离子电池的负极材料，展现了优异的电化学性能。
[0007]其合成步骤包括以下几步：首先，将10 g煤粉加入5 L的玻璃烧杯中，搅拌下加入240 mL混酸溶液（V
浓硝酸
:V
浓硫酸
=1:3），搅拌至完全氧化后，加入3 L去离子水稀释静置一晚上后离心、洗涤，然后在鼓风干燥箱中80 ℃干燥得到氧化煤。
[0008]将0.8 g 聚丙烯腈加入10 mL N，N
‑
二甲基甲酰胺中，在60 ℃下加热搅拌至完全溶解，再将0.8 g 氧化煤溶于上述溶液中，搅拌12 h 得到纺丝原液。
[0009]将纺丝液倒入一个带有20号金属针头的一次性塑料注射器中，将其置于静电纺丝机注射泵上，在电压17 kV、推注速度0.1 mm/min、接收距离18 cm (注射器针头与接收器之间的距离)的条件下进行静电纺丝，得到纤维无纺布；将纤维无纺布固定，置于恒温鼓风干燥箱中，以2 ℃/min 的升温速率加热至250 ℃ 保温两小时进行预氧化；然后将材料置于高温管式炉中，在N2保护下以5 ℃/min 的升温速率加热至800 ℃ 保温两小时后使其自然冷却至室温，得到煤基碳纤维。
[0010]将0.3 g的煤基碳纤维加入KOH溶液中（1.2 g的KOH溶解于20 mL蒸馏水和20 mL乙醇中 ）置于油浴锅中80℃加热搅拌至溶剂全部挥发至干。随后将煤基碳纤维置于管式炉中以5 ℃/min的升温速率加热至800 ℃ 后保温1 h 以进行KOH活化。冷却至室温后取出将其浸于1 M HCl 中搅拌3 h，然后用蒸馏水冲洗至滤液为中性。最后在80 ℃下干燥12 h 得到
煤基多孔碳纤维。
附图说明
[0011]图1为本专利技术以煤为碳源，采用静电纺丝法和化学活化法制备的多孔煤基碳纤维的SEM和TEM图，由图1a可看出，制备的多孔煤基碳纤维尺寸约为 300 nm；由图1b表明材料内部有大量均匀分布的孔，且碳为无定型碳。
[0012]图2为多孔煤基碳纤维的氮气吸脱附曲线和孔径分布曲线。如图2a所示，氮气吸脱附曲线为IV型，表明该材料中存在介孔。图2b DFT孔径分布曲线显示多孔煤基碳纤维的孔径分布在0.889、3.204、5.187和5.952 nm 处，证明材料中存在微介孔。
[0013]图3为以本专利技术制备的多孔煤基碳纤维为负极活性材料的电化学性能图，图3a，c分别为锂/钠片为对电极组装的纽扣电池的充放电曲线。图3b使用锂片为对电极组装的纽扣电池在电流密度为500 mA g
‑1时，循环400圈后容量保持在682.8 mAh g
‑
1 ，展示了优异的储锂性能；图3d使用钠片为对电极组装的纽扣电池在钠离子电池中以电流密度为100 mA g
‑1循环200圈后容量仍可保持在206.7 mAh g
‑1。
具体实施方式
[0014]实施例1（1）将10 g煤粉加入5 L的玻璃烧杯中，搅拌条件下加入240 mL混酸溶液（V浓硝酸:V浓硫酸=1:3），待煤粉完全氧化后，加入3 L去离子水稀释并静置12 h，再经离心、洗涤、干燥得到氧化煤；（2）将0.8 g 聚丙烯腈加入10 mL N，N
‑
二甲基甲酰胺中，在60 ℃下加热搅拌至完全溶解，再加入0.8 g 氧化煤，搅拌12 h 得到纺丝原液；（3）纺丝条件：金属针头：20号；直流电压：17 kV，推注速度：0.1 mm/min，接收距离：18 cm；预氧化条件：升温速率：2 ℃/min，保温温度和时间：250 ℃保温2 h；高温氧化条件：在氮气保护下以5 ℃/min的升温速率加热至750 ℃ 保温2 h，得到煤基碳纤维；（4）将0.3 g的煤基碳纤维加入KOH溶液中（1.2 g的KOH溶解于20 mL蒸馏水和20 mL乙醇中），置于油浴锅中80℃加热搅拌至溶剂全部挥发。随后将煤基碳纤维置于管式炉中以5 ℃/min的升温速率加热至800 ℃ 后保温1 h。冷却至室温后，在1 M HCl浸泡3 h，水洗至中性，最后在80 ℃下干燥12 h 得到煤基多孔碳纤维。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本多孔煤基碳纤维的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：(1)原煤改性：将10 g煤粉加入5 L的玻璃烧杯中，搅拌下加入240 mL混酸溶液（V浓硝酸:V浓硫酸=1:3），搅拌至完全氧化后，加入3 L去离子水稀释静置一晚上后离心、洗涤，然后在鼓风干燥箱中80 ℃干燥得到氧化煤。 (2)溶液配制：将0.8 g 聚丙烯腈加入10 mL N，N
‑
二甲基甲酰胺中，在60 ℃下加热搅拌至完全溶解，再将0.8 g 氧化煤溶于上述溶液中，搅拌12 h 得到纺丝原液。 (3)原丝制备：将纺丝液倒入一个带有20号金属针头的一次性塑料注射器中，将其置于静电纺丝机注射泵上，在电压17 kV、推注速度0.1 mm/min、接收距离18 cm (注射器针头与接收器之间的距离)的条件下进行静电纺丝，得到纤维无纺布。(4)预氧化与碳化：将得到的纤维无纺...

【专利技术属性】
技术研发人员：王省超，高峻婷，孙颖，张飞，黄玉代，贾殿赠，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：