[發明專利]一種天然產物制備的鋰離子電池負極竹碳材料

在審

• 申請號: 201710808116.1
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN107619033A
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 朱德康
• 申請（專利權）人: 綿陽梨坪科技有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其是涉及一種鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著電子科技和信息產業的發展，特別是各種便攜式電子設備如移動電話、攝像機、筆記本電腦等向高性能、小型化的方向發展，人們需要高性能的電源作為動力保障。鋰離子電池由于具有高電壓、高能量密度、自放電小、循環壽命長、無污染和無記憶效應等優點，已廣泛應用于移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等電器設備上，在電動汽車、衛星、航天航空以及空間軍事等領域也顯示出了良好的應用前景和潛在的經濟效益。

1990年，日本Sony公司首先使用具有石墨結構的碳材料取代金屬鋰負極，制成了商品化的鋰離子蓄電池，極大地推動了鋰離子電池碳負極材料的研究。目前，商業化鋰離子電池采用的碳負極材料主要是石墨、石油焦和碳纖維等。但這些碳材料大部分是由石油裂解制備獲得，屬于不可再生資源。而且現在主要使用的天然石墨負極材料與電解液的相容性差，碳負極上發生有機溶劑的不可逆分解和溶劑在石墨層間的共插入都會對電極的行為產生負面影響，使石墨層發生膨脹和收縮，導致其剝落，從而降低循環效率。另外，天然石墨的高度取向性，使其在制備電池極片時不易拉漿制片，充放電過程中易從電極上脫落，不利于大電流充放電。

硬碳以其無規排序所具有的較高容量、低造價和優良循環性能引起了人們的極大興趣。硬碳是指難石墨化碳，這類碳在2500℃以上的高溫也難以石墨化，常見的硬碳有樹脂碳（如酚醛樹脂、環氧樹脂和聚糠醇PFA-C等）、有機聚合物熱解碳（如PFA、PVC、PVDF、PAN等）和炭黑（乙炔黑）等。在硬碳中沒有平行堆積的結構，只有兩種層間關系結構：一種是45%含量的1個硬碳單晶中2個單層距離為0.343nm的結構，其標準偏差為0.09nm；另一種是55%含量的1個硬碳單晶2個單層距離為0.47nm的結構，其標準偏差為0.25nm。由于存在微孔，硬碳的平均層間距是0.42 nm。較大的層間距使其與電解液相容性較好，可以在碳酸丙烯酯（PC）有機電解液體系中正常工作，增大鋰離子電池的工作溫度范圍。硬碳材料屬于無序碳，沒有明顯取向性，制備中易于拉漿制片。竹碳作為硬碳材料的一種，具有制備溫度低，生產工藝簡單，又是天然和可再生資源，有利于節約石油資源和環保等優點。但竹碳作為一種生物性碳源制備的碳材料，含有較多的金屬元素和其他雜質，大大影響其電化學性能。

發明內容

針對現有技術存在的上述問題，本申請人提供了一種天然產物制備的鋰離子電池負極竹碳材料。本發明竹碳負極材料結構穩定、比容量高，其中的金屬元素采用酸處理除去，對電解液不敏感，安全性好。

本發明的技術方案如下：

一種天然產物制備的鋰離子電池負極竹碳材料，以毛竹為原料，將毛竹預燒制、粉碎并球磨至顆粒，然后用硫酸浸泡、加熱后洗凈，加入球碳繼續煅燒，從而得到本竹碳負極材料。

具體制備步驟如下：

（1）在430~460℃下預燒竹碳45~50小時；

（2）將預燒的竹碳材料粉碎至平均粒徑2~3mm，然后球磨至平均粒徑7μm；

（3）將步驟（2）所得竹碳微粒置于硫酸中加熱至60~90℃恒溫攪拌16~20h，竹碳與硫酸的比例為w/v=1:25~33，處理后的竹碳用去離子水清洗至洗液呈中性；

（4）將步驟（3）所得竹碳加入其質量50-80%的球碳進行高溫煅燒，煅燒溫度為880~920℃，煅燒時間為4.8~5.2小時，獲得最終產品。

所述步驟（3）中，硫酸濃度為95~98%，處理后的竹碳用去離子水洗至洗液為中性，在50~80℃烘干。所述步驟（4）中，煅燒的煅燒氣氛為氮氣，升溫速率為1℃/min。

本發明有益的技術效果在于：

本發明以天然植物竹子為原料制備鋰離子電池用負極材料，屬于綠色可再生資源，而且中國竹材資源豐富適用大規模應用。本發明竹碳負極材料具有碳材料結構穩定性的特點有優異的循環性能，相比石墨負極材料竹碳內部為立體網絡結構而不是層狀結構，在充放電過程中不易發生溶劑共嵌入現象，所以對電解液有較好的耐受性，適用于多種電解液。竹碳材料充放電曲線呈長斜坡狀，不同于石墨負極的長平臺狀，充放電電位遠離鋰金屬的析出電位，因此比石墨負極材料有更高的安全性。

具體實施方式

下面通過實施例，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例1：

（1）在450℃下預燒竹碳48小時；