锂离子电池炭负极材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种利用煤直接液化残渣制备锂离子电池炭负极材料的方法，包括：将煤直接液化残渣粉和第一萃取溶剂添加至搅拌釜中，然后进行固液分离，得到第一萃取物和第一萃余物；在第一萃余物中加入第二萃取溶剂，进行固液分离，得到第二萃取物和第二萃余物；对第二萃取物进行溶剂回收，得到沥青质和第二萃取溶剂；将沥青质与天然石墨的混合物从室温升温至接近所述沥青质的软化点，然后升温直至所述沥青质焦化，获得表面包覆有沥青质的石墨复合材料，然后进行炭化处理，得到表面包覆有炭层的锂离子电池炭负极材料。通过该锂离子电池炭负极材料可以得到充放电容量高的锂离子电池，拓宽了煤液化残渣的应用领域，避免了残渣资源的浪费。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种锂离子电池炭负极材料，特别涉及一种利用煤炭直接液化残渣制备的锂离子电池炭负极材料及其制备方法和用途。
技术介绍
煤直接液化技术是通过高温、高压和加氢，在催化剂作用下将固体煤直接转化成清洁的便于运输和可以使用的液体燃料(汽油、柴油、航空煤油等)或化工原料的一种先进的洁净煤技术。在煤炭直接液化的过程中，除了得到所需要的汽油、柴油等液体产品之外，还产生了占原料煤总量20% 30%的高炭、高灰、高硫的副产物一煤直接液化残渣，该煤直接液化残渣在室温下的外观呈固体浙青状，软化点约为180°C，固含量约为50%。如此多高炭、 高灰、高硫的残渣对液化过程的热效率和经济性必将产生很大的影响。并且，液化残渣中的重质液化油约占25 30%、浙青质含量约占残渣量的20 25%，未转化的固体煤、灰分和催化剂约占50%。因此，如何对煤直接液化残渣进行综合加工利用，提取出有价值的产品、提高企业经济效益是与煤炭直接液化生产密切相关的重要课题。当今对煤液化残渣的利用主要有燃烧、焦化制油、气化制氢等传统方法。也有一些研究者将残渣中的重质液化油及浙青质分离出来，并加以利用。锂离子电池以其优秀的性能成为二次电池的主流发展方向。特别是便携式电子设备的迅速发展，驱动了对锂离子电池及负极材料的强劲需求。负极材料对锂离子电池的安全性、循环使用寿命和能量密度有重要影响。锂离子电池负极材料的种类有天然石墨(约占59% )、人造石墨(约占30% )、中间相炭微球(约占8% )以及其他类型(约占3% )。目前，越来越多的制造商开始选择石墨作为电极材料。在此背景下，提高石墨负极材料的性能，对推动新型负极材料和新型锂离子电池的研究与应用具有非常重要的现实意义。有关煤直接液化残渣的萃取方法及萃取物应用的主要文献包括中国专利申请CN101885976A、CN101962560A和CN101962561A，上述文献均公开了从煤直接液化残渣中萃取出重质液化油和浙青质的方法，其中的浙青质经过热处理后得到中间相浙青，该中间相浙青可以用来制备碳纤维、针状焦、碳纳米管和其他碳材料。但目前还尚未文献报道利用煤炭直接液化残渣制备锂离子电池用负极材料的方法。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的目的之一是提供一种利用煤直接液化残渣制备锂离子电池炭负极材料的方法。本专利技术的另一目的是提供一种利用煤直接液化残渣制备的锂离子电池炭负极材料。本专利技术再一目的是提供所述锂离子电池炭负极材料在制备锂离子电池中的用途。本专利技术提供的一种利用煤直接液化残渣制备锂离子电池炭负极材料的方法，包括a)在萃取压力为0_3MPa (表压,下同)、萃取温度不高于300°C、萃取时间大于5分钟以及搅拌速率为50-400r/min的条件下，将质量比=1:1-10的煤直接液化残渣和第一萃取溶剂添加至萃取装置中，萃取出煤直接液化残渣中重质液化油组分；b)对萃取后的物料进行固液分离，分别得到第一萃取物和第一萃余物； c)按照步骤a)所述的比例和条件，在步骤b)得到的第一萃余物中加入第二萃取溶剂，对第一萃余物中的浙青质进行萃取，对萃取后的物料进行固液分离，分别得到第二萃取物和第二萃余物；d)对步骤c)得到的第二萃取物进行溶剂回收，得到浙青质和第二萃取溶剂，将所述浙青质粉碎至粒径< 100微米,并按照浙青质天然石墨的质量比=0. 03-0. 20 1的比例将所述浙青质与天然石墨混合均匀；e)按照O. 5-10°C /min的升温速率，将步骤d)得到的浙青质与天然石墨的混合物从室温升温至所述浙青质的软化点±40°c的范围内，然后按照O. 5-re /min的升温速率继续升温，直至所述浙青质完全焦化，获得表面包覆有浙青质的石墨复合材料；f)将步骤e)得到的石墨复合材料进行炭化处理，得到表面包覆有炭层的锂离子电池炭负极材料。作为上述方法的一个优选实施方案是步骤b)和c)中所述的固液分离可以采用真空热抽滤方式、加压热过滤方式、重力沉降分离方法、旋流离心分离方法或蒸馏分离方法。再进一步优选地，步骤a)中采用的萃取装置包括搅拌釜和内衬于搅拌釜中的篮筐式过滤元件，所述篮筐式过滤元件包括边壁和底板，其中，底板为滤材而边壁为基材，或者边壁为滤材而底板为基材，或者边壁和底板均为滤材，用于制备边壁和/或底板的所述滤材的过滤精度为O. 5-10微米，优选为O. 5-5微米；进一步优选地，步骤b)和c)中所述的固液分离利用篮筐式过滤元件以加压热过滤的方式进行，过滤温度为60-300°C，过滤压力为O. l_4MPa;优选地，过滤温度为100-250°C，过滤压力为 O. 6-3MPa。更进一步优选地，所述滤材包括过滤板和用于支撑所述过滤板的过滤孔板，所述过滤板通过压紧固定板和压紧螺栓压紧在过滤孔板上，所述压紧固定板和过滤板之间设有密封垫。所述过滤孔板和底板为一体成型、焊接固定或螺栓连接。所述滤材为过滤板、过滤孔板或其组合，所述滤材和基材均为耐高温高压耐磨的材料，例如304不锈钢、316L不锈钢或陶瓷等。采用上述固液分离方式，使得萃取过程以及萃取物与萃余物的固液分离过程均在萃取装置中进行，实现萃取设备和固液分离设备的耦合。完成萃取过程后，向搅拌釜内冲压进行热压过滤实现萃取物和萃余物的固液分离，萃取物从搅拌釜中排出，萃余物截留在过滤元件内。实现了萃取分离一体化，工艺路线简单，且管道不容易堵塞。本专利技术对搅拌釜没有特别限定，只要是能够用来混合的机械搅拌反应釜均可。作为上述方法的另一个优选实施方案是所述第一萃取溶剂选自正己烷、石油醚以及110°c以下馏分段的煤液化油中的一种或多种，优选为110°c以下馏分段的煤液化油；所述第二萃取溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、喹啉、吡啶以及160-260°c馏分段的煤液化油中的一种或多种，优选为160-260°C馏分段的煤液化油。作为上述方法的一个优选实施方案是步骤a)中所述的萃取压力为O. 5-2. 5MPa，萃取温度为30-250°C，萃取时间为5-120分钟。作为上述方法的一个优选实施方案是在步骤d)中，得到的浙青质的灰分含量<O. 5wt% ;所述浙青质与天然石墨在200-50011C混合。作为上述方法的一个优选实施方案是在步骤e)中，所述浙青质的软化点为50-2000C ;所述浙青质在400-550°C的温度下焦化。 作为上述方法的一个优选实施方案是步骤f )所述的炭化处理在惰性气体气氛下进行，其中，炭化温度为800-1500°C，炭化时间为1-24小时。作为上述方法的一个优选实施方案，所述方法还包括向搅拌釜通入热媒，以吹扫步骤b)中的第一萃余物和步骤c)中的第二萃余物，回收所述第一萃取溶剂和第二萃取溶齐U。优选地，所述热媒为80-250°C的氮气、氦气或其混合物，吹扫时间为5-60分钟。作为上述方法的一个优选实施方案是所述惰性气体为氮气、氦气或其混合物。作为上述方法的一个优选实施方案是所述天然石墨为球状的天然石墨，其平均粒径D50为5-30微米。本专利技术提供了一种根据本专利技术的方法利用煤直接液化残渣制备的锂离子电池炭负极材料。本专利技术提供了上述锂离子电池炭负极材料在制备锂离子电池中的用途。通过本专利技术方法得到的浙青质的灰分含量< O. 5wt%，并且主要由多环的缩合芳烃组成，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用煤直接液化残渣制备锂离子电池炭负极材料的方法，包括下述步骤：a）在惰性气体气氛下，在萃取压力为0？3MPa、萃取温度不高于300℃、萃取时间大于5分钟以及搅拌速率为50？400r/min的条件下，将质量比=1:1？10的煤直接液化残渣和第一萃取溶剂添加至萃取装置中，萃取出煤直接液化残渣中重质液化油组分；b）对萃取后的物料进行固液分离，分别得到第一萃取物和第一萃余物；c）按照步骤a）所述的比例和条件，在步骤b）得到的第一萃余物中加入第二萃取溶剂，对第一萃余物中的沥青质进行萃取，对萃取后的物料进行固液分离，分别得到第二萃取物和第二萃余物；d）对步骤c）得到的第二萃取物进行溶剂回收，得到沥青质和第二萃取溶剂，将所述沥青质粉碎至粒径＜100微米，并按照沥青质：天然石墨的质量比=0.03？0.20：1的比例将所述沥青质与天然石墨混合均匀；e）按照0.5？10℃/min的升温速率，将步骤d）得到的沥青质与天然石墨的混合物从室温升温至所述沥青质的软化点±20℃的范围内，然后按照0.5？1℃/min的升温速率继续升温，直至所述沥青质完全焦化，获得表面包覆有沥青质的石墨复合材料；f）将步骤e）得到的石墨复合材料进行炭化处理，得到表面包覆有炭层的锂离子电池炭负极材料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：常鸿雁，李克健，章序文，王国栋，武天翔，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，中国神华煤制油化工有限公司，中国神华煤制油化工有限公司上海研究院，
类型：发明
国别省市：