[發明專利]纖維素基炭纖維、制備方法及其用于制備電極材料的方法

有效

• 申請號: 201710301218.4
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN106948032B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 尹周瀾;張東材;郭華軍;李新海;王志興;丁治英;王接喜;楊哲偉
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: D01F9/16
• 分類號: D01F9/16;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 葉碧蓮

本發明公開了一種纖維素基炭纖維、制備方法及其用于制備電極材料的方法，屬于生物質纖維素基炭材料制備技術領域，所述方法包括：制備前軀體：按預設比例將催化劑溶解于水中，加入纖維素原料，加熱至沸騰并維持沸騰狀態下將水蒸干，烘干，得到前驅體；碳化催化石墨化處理：將所述前驅體在惰性氣氛下焙燒進行碳化催化石墨化處理，得到內含金屬單質的纖維素基炭纖維復合材料；去除雜質：用鹽酸反復清洗所述纖維素基炭纖維復合材料，去除纖維素基炭纖維復合材料中的金屬單質，再烘干，得到纖維素基炭纖維。本發明采用自然界的纖維素為原料，實現炭纖維和鋰離子電池的可持續性。

技術領域

本發明涉及生物質纖維素基碳材料的制備技術領域，特別涉及一種纖維素基炭纖維、制備方法及其用于制備電極材料的方法。

背景技術

炭材料是鋰離子電池負極材料的主流。為了繼續提高鋰離子電池的性能，新型負極材料成為研發熱點，其中纖維狀炭材料得到了廣泛的研究。

比較于塊體和粉體炭材料，纖維狀炭材料作為鋰離子電池負極，具有以下優勢：一是纖維狀炭材料易制備成膜及形成自支撐三維結構，可直接用做電極，且作為電極材料在內部形成三維導電網絡，無需導電劑和相對更少的黏結劑，提高電極材料導電性，優化電極材料電化學性能，從而既提高電極材料能量密度，也可簡化電極制備工序；二是纖維狀炭材料賦予電極材料大的比表面積，可有效縮短鋰離子傳輸距離，且在電池充放電過程中，為離子反應提供更大的電解質/電極界面，從而提高電極材料功率。

炭纖維在早期時，因成本和性能缺乏競爭力，使得其在鋰離子電池負極材料中的應用受到了制約。目前比較受關注的纖維狀炭材料包括聚丙烯腈(PAN)基炭纖維、中間相瀝青基炭纖維、酚醛樹脂炭纖維、氣相生長炭纖維及近來研發的電紡絲技術制備的納米炭纖維和炭納米管等。上述各種形式的炭纖維主要采用化石燃料及其衍生物為原料，從長遠看，具有不可持續性。近年來，利用有機生物質材料作為前驅體制備炭纖維的方法引起了人們的廣泛興趣，一方面，該工藝簡單、對環境影響小，原料可再生；另一方面，有機生物質的來源廣泛，成本低廉，尤其是以廢棄資源的農林副產品作為原料，可以實現該資源的高附加值利用。

現有技術中，要使炭纖維作為鋰離子電池電極材料被工業化運用，需在達到高容量的前提下，滿足具有優越的離子傳輸和電子導電性的電化學性能要求，其中作為鋰離子電池負極用炭纖維的電子導電性也是至關重要的。要使其電子導電性高，需對炭纖維進行石墨化處理來提高其石墨化度，現在提高炭纖維石墨化度的主要處理方式是溫度至少大于1800℃的高溫石墨化，而高溫石墨化所帶來的是高能耗和對儀器設備的高要求，增加生產成本，限制其大規模產業化運用的條件。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種纖維素基炭纖維、制備方法及其用于制備電極材料的方法，實現炭纖維和鋰離子電池的可持續性。

本發明通過以下技術手段解決上述問題：本發明實施例一方面提供一種纖維素基炭纖維制備方法，包括如下步驟：

S101、制備前軀體：按預設比例將催化劑溶解于水中，加入纖維素原料，加熱至沸騰并維持沸騰狀態下將水蒸干，烘干，得到前驅體；

S102、碳化催化石墨化處理：將所述前驅體在惰性氣氛下焙燒進行碳化催化石墨化處理，得到內含金屬單質的纖維素基炭纖維復合材料；

S103、去除雜質：用鹽酸反復清洗所述纖維素基炭纖維復合材料，去除纖維素基炭纖維復合材料中的金屬單質，再烘干，得到纖維素基炭纖維。

進一步的，所述方法使用催化劑使纖維素原料在保留天然纖維形貌下直接碳化成纖維素基炭纖維，所述纖維素基炭纖維的纖維軸直徑為5～15μm，長徑比為3～500，比表面積為80m²/g～1000m²/g，孔隙率20％～70％，纖維表面和內部含有大量的孔洞，孔徑為2～500nm。

進一步的，所述步驟S101之前還包括如下步驟：