[發明專利]一種濕法紡絲制備纖維素基碳纖維的方法及其在鋰離子電池中的應用

在審

• 申請號: 201611188931.4
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN108232107A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 陳艷華;那海寧;王曉燕;王瑄;王建華
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所;浙江紡織服裝職業技術學院
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/139;H01M4/36;H01M4/62
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

本發明公開一種濕法紡絲制備纖維素基碳纖維的方法。該方法將纖維素溶于有機溶劑制成紡絲液，進行濕法紡絲，在經過碳化處理，即可得到纖維素基碳纖維。本發明選擇了DMAc/LiCl體系溶解纖維素、進行濕法紡絲制備碳纖維，制得的碳纖維可以作為鋰離子電池負極材料使用。

技術領域

本發明屬于材料領域，具體為一種濕法紡絲制備纖維素基碳纖維的方法及其在鋰離子電池中的應用。

背景技術

纖維素是地球上最豐富的有機資源，具有良好的生物相容性和可降解再生性，對環境無污染。因此，隨著石油、煤炭資源的日益枯竭和環境問題的緊張，加快對纖維素的研究開發對人類生態及環境保護，實現可持續發展具有重要意義。自然界中的纖維素來源有竹子、棉花、蘆葦、樹木等，是自然界取之不盡用之不竭的可再生資源。纖維素及其衍生物產品，除用于塑料、紡織和造紙等傳統工業外，還在化工、醫藥、建筑、電化學等領域得到廣泛的開發和應用。

纖維素及其衍生物作為電極和粘結劑的研究已經吸引了越來越多的注意力。目前，已實際用于鋰離子電池的負極材料一般都是碳素材料，如石墨、軟碳、硬碳等。但負極材料存在充放電過程中首次循環庫倫效率低和體積變化大的現象，且循環使用性能較差，因此提高負極材料的循環穩定性成為研究負極材料的主要目標。

佟明等人申請的專利號201610636275.3的發明專利提出了一種可循環利用纖維素基鋰電池負極材料的制備方法，取苧麻纖維素與堿溶液混合超聲處理，靜置抽濾得濾餅干燥后，與冰醋酸等攪拌反應，調節pH值，冷藏離心干燥得改性粉末，與二氯甲烷等混合旋轉蒸發，抽濾濾餅洗滌干燥，與硝酸鐵等攪拌混合，通氬氣煅燒制得可循環利用纖維素基鋰電池負極材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種纖維素基碳纖維的制備方法；該方法將纖維素溶于有機溶劑制成紡絲液，進行濕法紡絲，在經過碳化處理，即可得到纖維素基碳纖維。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

纖維素基碳材料的制備方法，包括以下步驟：紡絲液配置、濕法紡絲、纖維碳化。

步驟(1)、紡絲液配置：

將干燥的纖維素加入到一定量的二甲基乙酰胺DMAc溶劑中，在保護氣體下150～165℃處理20～30min，然后冷卻至100℃后并加入預先稱量的LiCl，接著在80℃下連續攪拌10～40min至纖維素完全溶解。由于得到的纖維素溶液含有雜質和氣泡，經過過濾和脫泡處理制得透明的纖維素溶液，其中的纖維素質量分數為0.5～15﹪，LiCl的質量分數為3～18﹪。

所述的纖維素、LiCl、DMAc均為無水絕干處理的原料；

步驟(1)所述的纖維素為植物纖維素中的任一種，聚合度為400～1300。

步驟(2)、濕法紡絲：

將步驟(1)獲得的纖維素溶液喂到計量泵中，調整擠出量參數，經過噴絲頭噴出后直接進入凝固浴，并牽伸、卷繞、干燥形成初生絲條；

所述的牽伸率為20～50％。

所述纖維素纖維絲條成型條件為：纖維素纖維絲條在凝固浴中深度為10～400mm；凝固浴的溫度為18～35℃，凝固浴的組成為H₂O。

步驟(3)、纖維碳化：

將干燥后的纖維素纖維放入氣氛爐中碳化處理加熱至600～1200℃，冷卻后得到纖維素基碳纖維材料，具體是：將得到的纖維素纖維在保護氣體中由常溫開始升溫，以1～20℃/min速率升溫至200～350℃，并在此溫度下保溫1～3h，然后以1～20℃/min速率升溫至600～1200℃，保溫1～3h，自然降溫至常溫后取出即得到碳纖維材料。

所述的保護氣體為氮氣、氬氣或氦氣。