一种沥青基炭微球的制备方法及其应用与流程

1.本发明涉及锂、钠离子电池电极材料领域，特别涉及一种沥青基炭微球的制备方法和应用。


背景技术：

2.锂、钠离子电池(lithium
‑
ion battery and sodium
‑
ion battery)，作为一种最常用电化学储能装置，由于较高的能量密度，较高的安全性以及较为低廉的成本，因而在电力系统、通讯、新能源、航空航天、电动汽车等领域都有十分广泛的应用。由于电极材料是锂、钠离子电池的核心部件。由于目前电极尚无法突破更高的能量密度，因此开发可以提高锂、钠离子电池能量密度和功率输出特性的新型电极材料成为当务之急。
3.沥青作为一种高碳含量的稠环芳烃化合物，具有来源广泛，价格低廉等优势。沥青基炭微球因为振实密度高，结构稳定，导电性较好，能够快速充放电，因此沥青基炭微球成为了锂、钠离子电池电极材料的研究热点之一。
4.目前用作沥青基炭微球前驱体主要有中温煤沥青，精制煤沥青、萘中间相沥青、石油中间相沥青等沥青材料。并且目前制备方法有热缩聚法，乳液法，悬浮法等等方法。yuan等以中温煤沥青乳液法制备的沥青基炭微球，比容量达310ma h cm3[yuan m,cao b,meng c,et al.preparation of pitch
‑
based carbon microbeads by a simultaneous spheroidization and stabilization process for lithium
‑
ion batteries[j].chemical engineering journal,2020,400:125948.]。yoon等用悬浮法制备了沥青基炭微球[yoon s h,park y d,mochida i.preparation of carbonaceous spheres from suspensions of pitch materials[j].carbon,1992,30(5):781
‑
786.]。sun等以交联乳化法制备了沥青基炭微球[sun s,wang l,wang c,et al.vacuum
‑
assisted synthesis of spherical activated carbon using coal tar pitch with low softening point by copolymerization[j].vacuum,2018,158:215
‑
217.]。但是目前的制备方法工艺流程复杂，成本较高，不利于工业化的实现。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种沥青基炭微球的制备方法，按下列方法制得：
[0006]
步骤一：将原料沥青溶于溶剂当中，得到沥青溶液；
[0007]
步骤二：取步骤一所得沥青溶液，放入水热釜中，设置温度区间为100℃至250℃，保温30min
‑
96h，最后通过洗涤，即得沥青基微球。
[0008]
步骤三：取步骤二所得沥青基微球，在不同温度进行高温炭化处理得到沥青基炭微球。
[0009]
本发明进一步的优选方案是：所述原料沥青选自普通各向同性沥青和中间相沥青，包括煤沥青、石油沥青，萘中间相沥青或石油中间相沥青中的一种。
[0010]
本发明进一步的优选方案是：所述溶剂为甲苯、吡啶、喹啉或四氢呋喃中的一种。
[0011]
本发明进一步的优选方案是：所述炭化温度区间为500
‑
1600℃。
[0012]
另外本发明还提供一种沥青基炭微球制备的锂、钠离子电池电极材料。
[0013]
不同于糖类在溶剂热体系下脱水缩聚成球的原理，本发明通过沥青分子在溶剂中基于稠环芳烃片层分子间作用力而组装成球，得到了微球材料，进而利用高温对沥青基微球进行炭化处理制备炭材料。炭化处理可以得到以碳元素为主的骨架结构，同时还可以除去部分o、s等杂原子，应用于锂、钠离子电池电极材料不仅有利于提高倍率性能，并且提高了首次循环效率。使用沥青基炭微球电极材料的锂离子电池放电比容量在0.1a g
‑1时为410ma h g
‑1，远高于炭化沥青的放电比容量比容量(350ma h g
‑1)，电流密度从0.1a g
‑1逐渐增大到1a g
‑1时，比容量保持率在75％左右。表现了良好的倍率性能和循环性能。使用沥青基炭微球电极材料的钠离子电池放电比容量在0.1a g
‑1时为250ma h g
‑1。
附图说明
[0014]
附图1为1200℃碳化温度下所得沥青基炭微球的扫描电镜图。
[0015]
附图2为沥青基炭微球和炭化沥青的放电比容量与电流密度的关系曲线图。
具体实施方式
[0016]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
[0017]
实施例1
[0018]
将1g精制煤沥青溶于200ml喹啉中，得到沥青溶液；然后将沥青溶液放入水热釜中，设置温度为130℃，保温36h。洗涤产物，将产物以5℃/min室温升温至1200℃，保温2h，即得炭化后沥青基炭微球。
[0019]
如附图1扫描电镜(sem)所示沥青基炭微球形貌保持完好。
[0020]
如附图2电化学性能测试结果表明，该电极材料在0.1a
·
g
‑1电流密度下的放电比容量可以达到410ma h g
‑1。
[0021]
实施例2
[0022]
将1g中温煤沥青溶于200ml甲苯中，得到沥青溶液；然后将沥青溶液放入水热釜中，设置温度为170℃，保温27h。洗涤产物，以5℃/min室温升温至1000℃时保温2h，即得炭化后沥青基炭微球。
[0023]
电化学性能测试结果表明，该电极材料在0.1a
·
g
‑1电流密度下的放电比容量可以达到330ma h g
‑1。
[0024]
实施例3
[0025]
将1g萘中间相沥青溶于200ml四氢呋喃中，得到沥青溶液；然后将沥青溶液放入水热釜中，设置温度为150℃，保温30h。洗涤产物，以5℃/min室温升温至800℃时保温2h，即得炭化后沥青基炭微球。
[0026]
电化学性能测试结果表明，该锂离子电极材料在0.1a
·
g
‑1电流密度下的放电比容量可以达到390ma h g
‑1。钠离子电极材料在0.1a
·
g
‑1电流密度下的放电比容量可以达到250ma h g
‑1。
[0027]
实施例4
[0028]
将1g石油中间相沥青溶于200ml吡啶中，得到沥青溶液；然后将得到沥青溶液放入水热釜中，设置温度为230℃，保温18h。洗涤产物，以5℃/min室温升温至900℃时保温2h，即得炭化后沥青基炭微球。
[0029]
电化学性能测试结果表明，该电极材料在0.1a
·
g
‑1电流密度下的放电比容量可以达到395ma h g
‑1。
[0030]
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。