CN115611264A - 沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池，其中沥青基硬碳负极材料的制备方法包括以下步骤：S1，预氧化，采用沥青作为硬碳前驱体，并采用氧化剂将沥青进行预氧化，获得预氧化材料；S2，高温碳化，将所述预氧化材料进行高温碳化处理得到沥青基硬碳负极材料。本发明方法以沥青为硬碳前驱体，通过预氧化和高温碳化，获得具备高首效和高容量的沥青基硬碳负极材料；该制备方法制备工艺成熟，适合工业化生产。

Description

沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池
技术领域
本发明涉及钠离子电池制造领域，尤其涉及一种沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池。
背景技术
随着电动汽车、智能电子设备的广泛应用，锂的需求量将大大增加，而锂的储量有限，且分布资源不均匀，从而推高了与锂相关材料的价格，增大了电池成本。因此开发性能优异且廉价的非锂基电化学储能器件，已成为了迫在眉睫的任务。与锂离子电池工作原理类似，资源更加丰富的钠离子电池受到了广泛的关注；由于钠枝晶的形成很容易导致液态电池的短路，并且金属钠比金属锂更加活泼，如遇水很容易起火爆炸，因此实际的钠离子电池中不能应用钠金属作为负极；更加糟糕的是被广泛应用的锂离子电池石墨负极由于热力学原因没有储钠性能。钠离子电池的碳基负极材料跟锂离子电池的碳基负极材料相比是有较大区别的，这个区别主要源于钠离子较大的离子半径。在锂离子电池中广泛应用的传统石墨类负极材料由于层间距离小于钠离子直径，使得传统石墨类材料很难进行有效储钠。
硬碳负极材料由于其牢固稳定的大分子层面结构，更适宜在大电流充放电下使用而备受关注，其良好的安全性能有望在电动汽车上得到应用。因此，研发储钠效率更高且廉价稳定的硬碳负极材料，是迈向钠离子电池规模化应用的关键一步。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池，以沥青为硬碳前驱体，通过预氧化和高温碳化，获得具备高首效和高容量的沥青基硬碳负极材料；该制备方法制备工艺成熟，适合工业化生产。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明的第一方面提供一种沥青基硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，预氧化，采用沥青作为硬碳前驱体，并采用氧化剂将沥青进行预氧化，获得预氧化材料；
S2，高温碳化，将所述预氧化材料进行高温碳化处理得到沥青基硬碳负极材料。
优选地，所述步骤S1中，所述沥青选自天然沥青、石油沥青、页岩沥青和煤焦油沥青中的一种；所述沥青的软化点≥240℃。
优选地，所述步骤S1中：
所述氧化剂采用五氧化磷、硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾、过硫酸钾中的一种或多种；和/或
所述氧化剂的含量为所述沥青的1～15wt％。
优选地，所述步骤S1中：
所述预氧化温度为250～350℃，所述预氧化时间为2～6h；和/或
所述预氧化升温速率为0.5～5℃/min。
优选地，所述步骤S2中：
所述高温碳化过程中，碳化温度为1300～1600℃；和/或
所述高温碳化过程中，升温速率为1～20℃/min。
优选地，所述步骤S2中，所述高温碳化过程中，碳化气氛为Ar、N2、H2、NH3、He中的一种或多种。
优选地，所述沥青基硬碳负极材料的比表面积为5～6m2/g；和/或
所述沥青基硬碳负极材料的层间距为0.38～0.4nm；和/或
所述沥青基硬碳负极材料的容量≥315mAh g-1，库伦效率≥91.5％。
本发明的第二方面提供一种根据发明第一方面所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法制备的沥青基硬碳负极材料。
本发明的第三方面提供一种电池，包括采用如本发明第一方面所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法制备的沥青基硬碳负极材料。
本发明的有益效果为：
1.本发明的沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池，以沥青为硬碳前驱体，通过预氧化和高温碳化，获得具备高首效和高容量的沥青基硬碳负极材料；该制备方法制备工艺成熟，适合工业化生产；
2.本发明采用的沥青材料工业化程度高，属于石油和煤的副产品，因此成本较为便宜，且制备工艺成熟，适合工业化生产；
3.本发明在预氧化过程中采用氧化剂，利用氧化剂进行活化，因此预氧化温度相对于多步碳化工艺也要更低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例4制备的沥青基硬碳负极材料的电化学性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明所提供的一种沥青基硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，预氧化，采用沥青作为硬碳前驱体，并采用氧化剂将沥青进行预氧化，获得预氧化材料；
具体而言，以沥青作为硬碳前驱体，然后将沥青放入到反应釜内，采用高压空气或氧化剂对沥青进行预氧化，获得预氧化材料；其中沥青选自天然沥青、石油沥青、页岩沥青和煤焦油沥青中的一种，沥青的软化点≥240℃。
在采用氧化剂进行预氧化过程中，氧化剂采用五氧化磷、硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾、过硫酸钾中的一种或多种；氧化剂的含量为沥青的1～15wt％；预氧化温度为250～350℃，预氧化时间为2～6h；预氧化升温速率为0.5～5℃/min。
S2，高温碳化，将预氧化材料进行高温碳化处理得到沥青基硬碳负极材料。
具体而言，将预氧化材料进行高温碳化处理，碳化温度为1300～1600℃；升温速率为1～20℃/min；碳化气氛为Ar、N2、H2、NH3、He中的一种或多种；最终获得高容量、高首效的沥青基硬碳负极材料；该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5～6m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5～10μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.38～0.4nm；沥青基硬碳负极材料在30mA g-1电流密度下，容量≥315mAh g-1，库伦效率≥91.5％。
本发明还提供一种钠离子电池，包括采用上述的沥青基硬碳负极材料的制备方法制备的沥青基硬碳负极材料；其正极为钠金属，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)。
下面结合具体的例子对本发明的沥青基硬碳负极材料及制备方法、钠离子电池作进一步介绍。
实施例1
将1000g的250℃软化点的石油沥青和50g五氧化磷放入反应釜中，1℃/min升温到280℃搅拌6小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入Ar气氛的管式炉中，2.5℃每分钟升温到1400℃保温3小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.2m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.2μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.385nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量316.8mAh g-1，首效91.67％。
实施例2
将1000g的250℃软化点的石油沥青和50g五氧化磷放入反应釜中，2℃/min升温到300℃搅拌4小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入N2气氛的管式炉中，0.5℃每分钟升温到1450℃保温6小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.2m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.8μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.389nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量319.7mAh g-1，首效91.86％。
实施例3
将1000g的280℃软化点的石油沥青和25g五氧化磷放入反应釜中，2℃/min升温到320℃搅拌4小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入Ar气氛的管式炉中，1.5℃每分钟升温到1450℃保温3小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.7m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.5μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.392nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量319.5mAh g-1，首效91.73％。
实施例4
将1000g的280℃软化点的石油沥青和25g五氧化磷放入反应釜中，1℃/min升温到340℃搅拌3小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入Ar气氛的管式炉中，2.5℃每分钟升温到1400℃保温3小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.4m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.6μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.387nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试(结果参见图1所示)，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量317.5mAh g-1，首效91.78％。
实施例5
将1000g的280℃软化点的石油沥青和25g五氧化磷放入反应釜中，1℃/min升温到350℃搅拌2小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入Ar气氛的管式炉中，0.5℃每分钟升温到1550℃保温2小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.1m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.2μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.390nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量320.2mAh g-1，首效91.89％。
实施例6
将1000g的250℃软化点的煤沥青和100g硝酸钠放入反应釜中，2℃/min升温到330℃搅拌4小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入Ar气氛的管式炉中，2.5℃每分钟升温到1400℃保温3小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.1m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.7μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.389nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量315.2mAh g-1，首效91.53％。
实施例7
将1000g的270℃软化点的煤沥青和50g五氧化磷放入反应釜中，1℃/min升温到350℃搅拌2小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入He气氛的管式炉中，5℃每分钟升温到1450℃保温5小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.9m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为7.1μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为3.88nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量316.1mAh g-1，首效91.53％。
实施例8
将1000g的280℃软化点的石油沥青和100g硝酸钙放入反应釜中，2.5℃/min升温到350℃搅拌3小时完成预氧化处理。将预氧化沥青材料放入Ar气氛的管式炉中，3.5℃每分钟升温到1400℃保温6小时。冷却到室温，即可获得沥青基硬碳负极材料。该沥青基硬碳负极材料的比表面积为5.6m2/g，该沥青基硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.1μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.385nm。
以沥青基硬碳负极材料制作负极，钠作为正极，电解液为1Mol NaFP6溶于EC：DMC(1:1)，隔膜为玻璃纤维(GF/A)，来进行电化学测试，在30mA g-1电流密度下首次放电比容量316.3mAh g-1，首效91.57％。
对比例1
将1000g的250℃软化点的石油沥青放入Ar气氛的管式炉中，2.5℃/min升温到1400℃保温3小时。冷却到室温，即可获得硬碳负极材料。该硬碳负极材料的比表面积为6.5m2/g，该硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.3μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.364nm。
此方法获得的硬碳负极材料在30mA g-1电流密度下首次放电比容量120.6mAh g-1，首效80.04％。
对比例2
将1000g的280℃软化点的石油沥青放入Ar气氛的管式炉中，1℃/min升温到1400℃保温6小时。冷却到室温，即可获得硬碳负极材料。该硬碳负极材料的比表面积为6.7m2/g，该硬碳负极材料粉碎后的粒度D50为5.4μm；沥青基硬碳负极材料的层间距为0.373nm。
此方法获得的硬碳负极材料在30mA g-1电流密度下首次放电比容量116.8mAh g-1，首效80.32％。
综上所述，本发明的方法制备的沥青基硬碳负极材料与对比例相比，具备高首效和高容量，且成本低廉，适合工业化生产，能有效促进钠离子电池发展。
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，预氧化，采用沥青作为硬碳前驱体，并采用氧化剂将沥青进行预氧化，获得预氧化材料；
S2，高温碳化，将所述预氧化材料进行高温碳化处理得到沥青基硬碳负极材料。
2.如权利要求1所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述沥青选自天然沥青、石油沥青、页岩沥青和煤焦油沥青中的一种；所述沥青的软化点≥240℃。
3.如权利要求1所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：
所述氧化剂采用五氧化磷、硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾、过硫酸钾中的一种或多种；和/或
所述氧化剂的含量为所述沥青的1～15wt％。
4.如权利要求1所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：
所述预氧化温度为250～350℃，所述预氧化时间为2～6h；和/或
所述预氧化升温速率为0.5～5℃/min。
5.如权利要求1所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中：
所述高温碳化过程中，碳化温度为1300～1600℃；和/或
所述高温碳化过程中，升温速率为1～20℃/min。
6.如权利要求1所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述高温碳化过程中，碳化气氛为Ar、N2、H2、NH3、He中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述沥青基硬碳负极材料的比表面积为5～6m2/g；和/或
所述沥青基硬碳负极材料的层间距为0.38～0.4nm；和/或
所述沥青基硬碳负极材料的容量≥315mAh g-1，库伦效率≥91.5％。
8.一种根据权利要求1～7任一项所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法制备的沥青基硬碳负极材料。
9.一种钠离子电池，其特征在于，包括采用如权利要求1～7任一项所述的沥青基硬碳负极材料的制备方法制备的沥青基硬碳负极材料。
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