[发明专利]一种木质素基硬碳/碳纳米管复合材料及其制备方法和在锂离子电池负极材料中的应用

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，公开了一种木质素基硬碳/碳纳米管复合材料及其制备方法和在锂离子电池负极材料中的应用。本发明制备方法包括以下步骤：将木质素、碳纳米管分别超声分散于有机溶剂水溶液中，混合，加碱调节pH为碱性，超声分散均匀；再加酸调节pH为1～4，静置，分离，得到木质素/碳纳米管复合物；将复合物和活化剂加入水中，加热搅拌均匀，升温加热干燥，得到木质素基硬碳/碳纳米管复合材料前驱体；对前驱体进行碳化，得到木质素基硬碳/碳纳米管复合材料。本发明方法制备得到的木质素基硬碳/碳纳米管复合材料表面积范围为500～3000m²·g^‑1，活化时间为0.5～6h，可应用于锂离子电池负极材料中。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，特别涉及一种木质素基硬碳/碳纳米管复合材料及其制备方法和在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

随着社会的发展，科学技术的不断更新，社会对低成本、高效能源储存设备的需求越来越大。锂离子电池具有储能密度大、开路电压高、自放电率低等优点，被广泛用于便携式电子设备、电网储能设备、航天航空设备以及新能源动力汽车等设备中。近年来，新能源动力汽车的快速发展，使得对锂离子电池的容量和能量密度提出了越来越高的要求。

目前，在商业化的锂离子电池体系中，石墨类负极材料由于受到其理论容量低(372mAh·g^-1)的限制，研究者们开始寻找新的负极材料来替代石墨负极。硬碳材料是指在2500℃以上高温下难以石墨化的碳材料，通常为无定型结构且孔隙发达。锂的嵌入－脱嵌形式不但可以按化学计量LiC₆进行，而且还可以有非化学计量LiC_x嵌入－脱嵌，使得理论容量值从372mAh·g^-1提高到700～1000mAh·g^-1。硬碳作为锂电池负极材料结构稳定，充放电循环寿命长，可逆容量高，并具有良好的倍率性能，可以满足电动车锂电池大功率充放电的要求，因此有望替代石墨作为新型的锂离子电池负极材料。

木质素作为天然可再生自身富含芳香环的高分子聚合物，广泛存在于植物木质部中，全世界年产量高达1500亿吨。木质素是由三种苯丙烷单体组合而成的多级三维网络结构，同时因其具有酚羟基、羧基、甲氧基等官能团而可应用于分散剂、表面活性剂、抗紫外剂、增强剂、粘结剂、减水剂等。另外成本低、高碳含量(50～80％)的木质素是制备硬碳材料的优异前驱体。但是木质素基硬碳材料表面易残存C-O、C-H等官能团，在电解液中形成稳定的表面固体电解质膜的难度增大，易导致首次充放电效率降低。另外丰富的孔结构在充放电过程中由于体积膨胀而易坍塌，降低锂离子电池的容量。碳纳米管作为一种新型的碳纳米材料，具有非常高的比表面积、导电率高、良好的结构适应性和弹性、机械强度高，是电化学领域所需的理想材料。硬碳/碳纳米管复合材料可以有效增强硬碳材料的机械强度，可以有效避免充放电过程中因体积膨胀而引起的结构形变及坍塌。

碳纳米管复合材料的制备常采用球磨、超声分散、自组装法、原位合成法、CVD沉积法(Acs Nano.2010；4(4):2233.)等方法。木质素分子自身具有表面活性剂的分散功能，可以有效分散碳纳米管，并形成包覆的效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种木质素基硬碳/碳纳米管复合材料的制备方法。

本发明方法利用木质素作为碳源和分散剂制备木质素基硬碳/碳纳米管复合材料的方法，并将其应用于锂离子电池负极活性材料，改善硬碳材料结构，提高锂离子电池能量密度和倍率性能。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的木质素基硬碳/碳纳米管复合材料。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种木质素基硬碳/碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：