[发明专利]锂离子电池炭负极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池炭负极材料，特别涉及一种利用煤炭直接液化残渣制备的锂离子电池炭负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

煤直接液化技术是通过高温、高压和加氢，在催化剂作用下将固体煤直接转化成清洁的便于运输和可以使用的液体燃料(汽油、柴油、航空煤油等)或化工原料的一种先进的洁净煤技术。

在煤炭直接液化的过程中，除了得到所需要的汽油、柴油等液体产品之外，还产生了占原料煤总量20％～30％的高炭、高灰、高硫的副产物—煤直接液化残渣，该煤直接液化残渣在室温下的外观呈固体沥青状，软化点约为180℃，固含量约为50％。如此多高炭、高灰、高硫的残渣对液化过程的热效率和经济性必将产生很大的影响。并且，液化残渣中的重质液化油约占25～30％、沥青质含量约占残渣量的20～25％，未转化的固体煤、灰分和催化剂约占50％。因此，如何对煤直接液化残渣进行综合加工利用，提取出有价值的产品、提高企业经济效益是与煤炭直接液化生产密切相关的重要课题。

当今对煤液化残渣的利用主要有燃烧、焦化制油、气化制氢等传统方法。也有一些研究者将残渣中的重质液化油及沥青质分离出来，并加以利用。

锂离子电池以其优秀的性能成为二次电池的主流发展方向。特别是便携式电子设备的迅速发展，驱动了对锂离子电池及负极材料的强劲需求。负极材料对锂离子电池的安全性、循环使用寿命和能量密度有重要影响。锂离子电池负极材料的种类有天然石墨（约占59％）、人造石墨（约占30％）、中间相炭微球（约占8％）以及其他类型（约占3％）。目前，越来越多的制造商开始选择石墨作为电极材料。在此背景下，提高石墨负极材料的性能，对推动新型负极材料和新型锂离子电池的研究与应用具有非常重要的现实意义。

有关煤直接液化残渣的萃取方法及萃取物应用的主要文献包括：中国专利申请CN101885976A、CN101962560A和CN101962561A，上述文献均公开了从煤直接液化残渣中萃取出重质液化油和沥青质的方法，其中的沥青质经过热处理后得到中间相沥青，该中间相沥青可以用来制备碳纤维、针状焦、碳纳米管和其他碳材料。但目前还尚未文献报道利用煤炭直接液化残渣制备锂离子电池用负极材料的方法。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的之一是提供一种利用煤直接液化残渣制备锂离子电池炭负极材料的方法。

本发明的另一目的是提供一种利用煤直接液化残渣制备的锂离子电池炭负极材料。

本发明再一目的是提供所述锂离子电池炭负极材料在制备锂离子电池中的用途。

本发明提供的一种利用煤直接液化残渣制备锂离子电池炭负极材料的方法，包括：

a）在萃取压力为0-3MPa（表压，下同）、萃取温度不高于300℃、萃取时间大于5分钟以及搅拌速率为50-400r/min的条件下，将质量比=1:1-10的煤直接液化残渣和第一萃取溶剂添加至萃取装置中，萃取出煤直接液化残渣中重质液化油组分；

b）对萃取后的物料进行固液分离，分别得到第一萃取物和第一萃余物；

c）按照步骤a）所述的比例和条件，在步骤b）得到的第一萃余物中加入第二萃取溶剂，对第一萃余物中的沥青质进行萃取，对萃取后的物料进行固液分离，分别得到第二萃取物和第二萃余物；

d）对步骤c）得到的第二萃取物进行溶剂回收，得到沥青质和第二萃取溶剂，将所述沥青质粉碎至粒径＜100微米，并按照沥青质：天然石墨的质量比=0.03-0.20：1的比例将所述沥青质与天然石墨混合均匀；

e）按照0.5-10℃/min的升温速率，将步骤d）得到的沥青质与天然石墨的混合物从室温升温至所述沥青质的软化点±40℃的范围内，然后按照0.5-1℃/min的升温速率继续升温，直至所述沥青质完全焦化，获得表面包覆有沥青质的石墨复合材料；

f）将步骤e）得到的石墨复合材料进行炭化处理，得到表面包覆有炭层的锂离子电池炭负极材料。

作为上述方法的一个优选实施方案是：步骤b）和c）中所述的固液分离可以采用真空热抽滤方式、加压热过滤方式、重力沉降分离方法、旋流离心分离方法或蒸馏分离方法。

再进一步优选地，步骤a）中采用的萃取装置包括搅拌釜和内衬于搅拌釜中的篮筐式过滤元件，所述篮筐式过滤元件包括边壁和底板，其中，底板为滤材而边壁为基材，或者边壁为滤材而底板为基材，或者边壁和底板均为滤材，用于制备边壁和/或底板的所述滤材的过滤精度为0.5-10微米，优选为0.5-5微米；