[发明专利]锂离子电池碳负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电极材料制造工艺技术领域，具体是涉及一种锂离子电池碳负极材料的制备方法。

背景技术

随着温室效应导致海平面的持续上升，全社会对环境的关注度越来越高。与此同时，经济的发展对能源的需求越来越大，而传统的石油、煤炭、天然气等化石能源一方面属于不可再生资源，另一方面，它们的使用带来严重的环境问题，导致人们迫切地需要开发可再生能源，以满足经济、社会与环境的可持续发展。

能量密度高、循环寿命长且无污染的锂离子电池正是人们所寻求的新能源之一。目前锂离子电池中使用的负极材料均是碳材料，包括天然石墨、人造石墨以及MCMB(中间相碳微球)等。这些碳负极具有充放电过程中电压稳定，循环性能好等优点。但是这些碳材料的生产工艺较为复杂，成本较高，每吨的价格在数万元以上。

生物质(农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(木质素)、农产品加工业下脚料、农林废弃物等物质)能源，作为一种重要的可再生能源，具有较为广泛的用途和良好的应用价值。如何将生物质合理地应用于锂离子电池电极材料的生产，以降低碳材料的生产成本，提高电池的性能，对本领域技术人员来说，是丞待解决的技术问题之一。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种锂离子电池碳负极材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种锂离子电池碳负极材料的制备方法，首先在惰性气氛中将生物质于温度至少为350℃条件下热解至少为5s，得到热解碳粉，然后将热解碳粉粉碎得到锂离子电池碳负极材料。

优选的，所述生物质选自棉花秸秆、毛竹、核桃壳、树皮、木屑、玉米秸秆、甘蔗渣和稻草中的一种或多种的组合物。

优选的，所述热解温度为350～550℃，热解时间为5～50s。

进一步的，所述生物质在热解之前还经过至少一次的酸洗、水洗和干燥的顺序处理步骤，酸洗是采用酸液洗涤3～6h，水洗是采用去离子水洗涤至pH为6～7，干燥温度为70～110℃，干燥时间为10～30h。

优选的，所述酸液选自HCl、HNO₃、HF、H₂SO₄或H₃PO₄溶液，酸液的浓度为1～30wt％。

进一步的，所述生物质在酸洗之前还经过破碎的处理步骤，破碎后生物质颗粒的粒径为40～60目。

优选的，所述热解碳粉粉碎后粒径大小为d₅₀为12～20μm，d_max为40～50μm。

当生物质热解时，会产生大量的固体产物——热解炭粉，本发明通过控制生物质的热解条件，并进一步对其进行粉碎，便可得到用作锂离子电池负极的材料。本发明所用原料均为常见的生物质废弃物，来源广泛，价格便宜，热解方法简单，操作方便。所得碳负极材料用作锂离子电池负极，容量密度可达300mAh/g，首次循环库伦效率高达92％，且循环100周后，容量保持率大于90％。

具体实施方式

以下将结合实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

1)将棉花秸秆粉碎至40目，浸泡于5wt％的HCl溶液中6h酸洗，以除去其中的金属杂质，然后用去离子水洗涤、抽滤3次，至滤液_pH为6，70℃烘箱中干燥24h。

2)氮气保护下，在流化床上对步骤1)所得棉花秸秆(粉)进行400℃热解20s，以分解其中的木质素、纤维素以及半纤维素(得到气体、液体和固体三种产物，保留固体产物，下同)，得到热解固体产物，其产率为45％，碳粉粒径＜1mm。

3)对步骤2)中的碳粉进行球磨，球磨后粒径d₅₀为15μm，d_max为40μm。

4)将制备的炭粉材料作为锂离子电池负极材料，对其进行充放电和循环性能测试：炭粉材料与导电剂、粘结剂按质量比8:1:1混合，涂在0.01mm铜箔上，制成电极片作为工作电极，金属锂作为对电极，电解液为EC与DMC的混合溶剂，二者的体积比为1:1，LiFP₆作为电解质锂盐，浓度为1mol/L，所用隔膜为PP(Celgard2400)，在氩气气氛手套箱中装配扣式电池，并对扣电进行充放电测试，电压范围为0.01～1.0V(vs Li⁺/Li),电流密度为0.1C(1C:2000mA/g)。