[發明專利]一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202010154701.6
• 申請日: 2020-03-08
• 公開（公告）號: CN111320161A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 肖南;毛京欽;邱介山
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本;徐雪蓮

本發明屬于碳材料制備技術領域，一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應用，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)對步驟2所得混合物加熱處理，(4)對步驟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。本發明制備方法簡單易行且綠色環保，氯化鈉氯化鉀用去離子水洗去后還可回收利用；生產成本低，原料采用來源豐富的煤瀝青，易于獲得且價格低廉；使用碳納米片作為鉀離子電池負極材料具有較高的可逆儲鉀容量和優異的循環性能。

技術領域

本發明涉及一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應用，屬于碳材料制備技術領域。

背景技術

電能是保證當今社會發展的關鍵能源，人們獲取電能的方式多種多樣，同時也需要多樣的電能儲存方式。電化學儲能具有高效和方便等優點，在各種儲能方式中被認為是一種更為合適的方式。傳統的的鋰離子電池具有能量效率高，壽命長等優點因而獲得了大范圍應用。但隨著鋰離子電池技術的發展和應用的擴大，金屬鋰有限的儲量逐漸無法滿足社會發展的需求，在應對大規模儲能的需求時尤其如此，因而找到一種廉價且有效的儲能方式便十分迫切。考慮到鉀元素與鋰元素屬于同一主族，化學性質相近，鉀離子與鋰離子的標準還原電勢也很接近，且在地殼中儲量豐富易開采，原料成本低，因而鉀離子電池在大規模儲能應用上具有很大潛力，適合作為鋰離子電池的替代品應用于大規模儲能體系。

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導致活性材料的體積發生膨脹，縮短電池壽命。因此推動鉀離子電池發展的關鍵是設計出性能優異的電極材料，使其能夠適應鉀離子的不斷插入和脫出。碳材料作為負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極材料得到了廣泛的研究。縮短鉀離子在電極中的擴散路徑并提高碳負極的電導率可以有效的提高鉀離子電池的倍率和循環性能。軟碳材材料具有較高的電導率，但其無序排布的碳層會增加鉀離子在負極中的擴散路徑，硬碳材料的碳層排列較為有序，但面臨電導率低的問題。目前制備同時具有以上兩種特點的碳材料的方法仍有待進一步開發。

發明內容

為了克服現有技術中存在的不足，本發明目的是提供一種瀝青基碳納米片的制備方法及其應用。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極具有比容量高，倍率性能好和循環性能優異等優點。

為了實現上述發明目的，解決己有技術中存在的問題，本發明采取的技術方案是：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，球磨機轉速控制在500-4000轉/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量比為1:0.1-8；

步驟2、將軟化點為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，球磨機轉速控制在500-4000轉/分，所述瀝青與氯化鈉及氯化鉀混合鹽的質量比為1:10-500；

步驟3、將步驟2制得的混合物轉入到石英舟，管式爐中在氮氣或氬氣保護下以2-5℃/min升溫速率升溫至220-320℃進行加熱處理，加熱時間控制在0.1-8h；

步驟4、將步驟3加熱后所得到的混合物，管式爐中在氮氣或氬氣保護下以2-5℃/min升溫速率升溫至600-1600℃進行炭化處理，炭化時間控制在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，然后轉移至真空干燥箱，在70-90℃下干燥10-15h，得到目標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極材料中的應用。