[發(fā)明專利]一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010154701.6
• 申請日: 2020-03-08
• 公開（公告）號(hào): CN111320161A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖南;毛京欽;邱介山
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/15
• 分類號(hào): C01B32/15;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本;徐雪蓮

本發(fā)明屬于碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域，一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應(yīng)用，其中制備方法包括以下步驟：(1)將氯化鈉與氯化鉀置于球磨罐中球磨，(2)將瀝青置于球磨罐中與步驟1制得的氯化鈉及氯化鉀混合鹽球磨，(3)對(duì)步驟2所得混合物加熱處理，(4)對(duì)步驟3所得混合物炭化處理，(5)將步驟4炭化后所得混合物，冷卻后取出，采用去離子水洗滌，干燥后得到瀝青基碳納米片。本發(fā)明制備方法簡單易行且綠色環(huán)保，氯化鈉氯化鉀用去離子水洗去后還可回收利用；生產(chǎn)成本低，原料采用來源豐富的煤瀝青，易于獲得且價(jià)格低廉；使用碳納米片作為鉀離子電池負(fù)極材料具有較高的可逆儲(chǔ)鉀容量和優(yōu)異的循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應(yīng)用，屬于碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電能是保證當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能源，人們獲取電能的方式多種多樣，同時(shí)也需要多樣的電能儲(chǔ)存方式。電化學(xué)儲(chǔ)能具有高效和方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種儲(chǔ)能方式中被認(rèn)為是一種更為合適的方式。傳統(tǒng)的的鋰離子電池具有能量效率高，壽命長等優(yōu)點(diǎn)因而獲得了大范圍應(yīng)用。但隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)大，金屬鋰有限的儲(chǔ)量逐漸無法滿足社會(huì)發(fā)展的需求，在應(yīng)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的需求時(shí)尤其如此，因而找到一種廉價(jià)且有效的儲(chǔ)能方式便十分迫切。考慮到鉀元素與鋰元素屬于同一主族，化學(xué)性質(zhì)相近，鉀離子與鋰離子的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢也很接近，且在地殼中儲(chǔ)量豐富易開采，原料成本低，因而鉀離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用上具有很大潛力，適合作為鋰離子電池的替代品應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能體系。

鉀離子電池的工作原理與鋰離子電池相同，均屬于“搖椅式”電池。由于鉀離子的離子半徑較大，鉀離子電池在充放電過程中會(huì)導(dǎo)致活性材料的體積發(fā)生膨脹，縮短電池壽命。因此推動(dòng)鉀離子電池發(fā)展的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的電極材料，使其能夠適應(yīng)鉀離子的不斷插入和脫出。碳材料作為負(fù)極材料在鋰離子和鈉離子電池體系中取得了巨大成功，可作鉀離子電池的負(fù)極材料。近年來，硬碳，軟碳，多孔碳和納米碳材料作為鉀離子電池的負(fù)極材料得到了廣泛的研究。縮短鉀離子在電極中的擴(kuò)散路徑并提高碳負(fù)極的電導(dǎo)率可以有效的提高鉀離子電池的倍率和循環(huán)性能。軟碳材材料具有較高的電導(dǎo)率，但其無序排布的碳層會(huì)增加鉀離子在負(fù)極中的擴(kuò)散路徑，硬碳材料的碳層排列較為有序，但面臨電導(dǎo)率低的問題。目前制備同時(shí)具有以上兩種特點(diǎn)的碳材料的方法仍有待進(jìn)一步開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應(yīng)用。該方法制備過程簡單，選用來源豐富的煤瀝青作為原料，所制備的疊磚狀碳納米片用作鉀離子電池負(fù)極具有比容量高，倍率性能好和循環(huán)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決己有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種瀝青基碳納米片的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、將氯化鈉與氯化鉀置于球磨罐中混合均勻后，球磨粉碎0.1-8h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速控制在500-4000轉(zhuǎn)/分，得到粒徑為0.1-15μm的氯化鈉與氯化鉀混合鹽，所述氯化鈉與氯化鉀的質(zhì)量比為1:0.1-8；

步驟2、將軟化點(diǎn)為120-320℃的瀝青置于球磨罐中與步驟1制得的氯化鈉及氯化鉀混合鹽均勻混合后，球磨粉碎0.1-8h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速控制在500-4000轉(zhuǎn)/分，所述瀝青與氯化鈉及氯化鉀混合鹽的質(zhì)量比為1:10-500；

步驟3、將步驟2制得的混合物轉(zhuǎn)入到石英舟，管式爐中在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下以2-5℃/min升溫速率升溫至220-320℃進(jìn)行加熱處理，加熱時(shí)間控制在0.1-8h；

步驟4、將步驟3加熱后所得到的混合物，管式爐中在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下以2-5℃/min升溫速率升溫至600-1600℃進(jìn)行炭化處理，炭化時(shí)間控制在0.2-6h；

步驟5、將步驟4炭化后所得到的混合物，冷卻降至室溫后后取出，采用去離子水洗滌3-5次，然后轉(zhuǎn)移至真空干燥箱，在70-90℃下干燥10-15h，得到目標(biāo)材料瀝青基碳納米片。

所述方法制備的瀝青基碳納米片在鉀離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。