一种煤沥青基硬碳材料及其制备方法与应用与流程

本申请属于碳材料制备，具体涉及一种煤沥青基硬碳材料及其制备方法与钠离子电池应用。

背景技术：

1、钠离子电池（sib）为新能源在电力、交通、军事等诸多领域的应用提供了重要支撑，提升钠离子电池能量密度和功率密度是其广泛应用的关键。在众多负极材料中，硬碳材料因其充放电时体积膨胀小、结构稳定性好、比容量高和工作电位低等显著优势，被认为是sib最具前景的负极材料。然而，硬碳材料电导率较低，高倍率下易极化，从而导致电池循环性能恶化和使用寿命缩短。特别是，如何在保持硬碳负极首次库仑效率和比容量的同时，改善其高倍率性能和循环稳定性，仍是当前面临的主要技术挑战。通过理解sib的反应机制可知，协同优化导电性、孔结构和缺陷结构，是开发高倍率、长循环寿命硬碳负极材料的关键。

2、硬碳一般采用有机物或天然碳源为原料，如酚醛树脂、生物质等，但这些材料会受到资源供应、生产成本和合成条件的限制。煤沥青是煤化工生产过程中产生的大宗煤基固废，具有成本低、来源广、供应稳定等优势，是规模化生产高性能碳基负极材料的理想前驱体。但是，煤沥青化学活性相对较低，具有较高的结焦值和缩合度，导致煤沥青基硬碳材料制备存在闭孔结构难形成的问题。此外，高温炭化过程易石墨化且内部闭孔结构会坍塌缩合，造成闭孔结构和高度石墨化难以精确调控。尽管化学/物理活化方法是有效的成孔手段，但由于煤沥青固有的复杂性和热塑性，使其在调控闭孔结构和石墨化程度方面存在局限。

技术实现思路

1、本申请提供一种煤沥青基硬碳材料及其制备方法，旨在解决现有煤沥青制备硬碳材料时存在闭孔结构和高度石墨化难以精确调控的问题。

2、本申请第一方面提供一种煤沥青基硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：

3、（1）将煤沥青、炭黑和模板剂混合进行闪蒸焦耳热处理，得到碳化料；

4、（2）清洗碳化料并干燥，得到所述煤沥青基硬碳材料。

5、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述煤沥青包括煤液化沥青、煤温和液化沥青、煤焦油沥青和焦油渣沥青中的一种或多种。

6、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述煤沥青的灰分<100ppm，喹啉不溶物<100ppm。

7、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述模板剂包括camg(co3)2。

8、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述煤沥青和所述炭黑的质量比为1：（0.05-0.15）。

9、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述煤沥青和所述模板剂的质量比为1：（0.3-1）。

10、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述闪蒸焦耳热处理包括依次进行空气氛围闪蒸焦耳热处理和真空环境闪蒸焦耳热处理。

11、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述空气氛围闪蒸焦耳热处理的温度为200℃-400℃，时间为2-5s。

12、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，所述真空环境闪蒸焦耳热处理包括第一阶段处理和第二阶段处理；

13、所述第一阶段处理的温度为600℃-800℃，时间为2-5s；

14、所述第二阶段处理的温度为1300℃-1500℃，时间为2-5s。

15、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，步骤（2）中，所述清洗包括依次采用酸液、去离子水和乙醇进行清洗；所述酸液包括浓度为0.8-1.2mol/l盐酸。

16、根据本申请所述煤沥青基硬碳材料的制备方法的一些实施方式，步骤（2）中，所述干燥的温度为40-60℃，时间为12-16h。

17、本申请第二方面提供一种煤沥青基硬碳材料，由本申请第一方面所述煤沥青基硬碳材料的制备方法制备得到。

18、本申请的有益效果包括：本申请所述煤沥青基硬碳材料以煤沥青、炭黑和camg(co3)2模板剂为原料，在快速焦耳热处理过程中camg(co3)2原位产生的纳米mgo和cao发挥支撑控孔的作用，原位生成的co2选择性地“刻蚀”碳分子骨架，从而构建发达的闭孔结构，解决闭孔结构难形成、难精确调控的问题；炭黑在快速焦耳热处理过程发挥结构诱导作用，辅助形成类石墨微晶结构，解决石墨化程度难控制的问题，从而实现闭孔结构和石墨化程度的精确调控。

19、本申请所述煤沥青基硬碳材料具有较低的比表面积和丰富的闭孔结构，以及适度的石墨化程度，石墨微晶间距控制在0.38-0.41nm，有利于在sib应用中展现出优良的储钠和钠离子传输性能。

1.一种煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述煤沥青包括煤液化沥青、煤温和液化沥青、煤焦油沥青和焦油渣沥青中的一种或多种；

3.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述模板剂包括camg(co3)2。

4.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述煤沥青和所述炭黑的质量比为1：（0.05-0.15）。

5.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述煤沥青和所述模板剂的质量比为1：（0.3-1）。

6.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述闪蒸焦耳热处理包括依次进行空气氛围闪蒸焦耳热处理和真空环境闪蒸焦耳热处理；

7.根据权利要求6所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，所述真空环境闪蒸焦耳热处理包括第一阶段处理和第二阶段处理；

8.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述清洗包括依次采用酸液、去离子水和乙醇进行清洗；

9.根据权利要求1所述煤沥青基硬碳材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述干燥的温度为40-60℃，时间为12-16h。

10.一种煤沥青基硬碳材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述煤沥青基硬碳材料的制备方法制备得到。