[发明专利]一种煤衍生人造石墨材料的制备方法及用途

说明书

本发明涉及一种煤衍生人造石墨材料的制备方法及用途，且该石墨材料作为锂离子电池负极材料时展现出高能量密度、良好的循环稳定性和倍率性能。该方法主要是利用镁基合金原位催化的方式，在较低温度下实现了石墨化过程。制备出的纳米石墨片石墨化程度好，除过锂电行业，还有其它广泛的应用前景。该方法制备原材料廉价，工艺可靠，可规模化生产。

技术领域

本发明涉及碳材料领域，特别涉及一种煤衍生人造石墨材料的制备方法及用途。

背景技术

商用锂离子电池负极材料主要是石墨。石墨依据其来源分为天然石墨和人造石墨。天然石墨经石墨矿选矿得来。选好后的石墨还需要经过进一步加工，才能作为锂离子电池负极用，如CN102485648B。传统人造石墨主要以针状焦、焦炭和沥青等原材料经过高温(大于2400℃)石墨化过程得到，如CN101648808B和CN102381700B。高温过程增加了工业生产的危险性，也是个高能耗过程。随着电动汽车行业的发展，对锂离子电池的需求量成倍增长，进而对石墨的需求量也大幅增加。因此需要探索新的方法，降低人造石墨的石墨化温度并提供丰富的石墨来源。

我国煤矿储量丰富，煤的主要成分是炭，当前主要通过燃烧放热使用。燃烧会产生二氧化碳等气体污染环境，不利于生态经济可持续发展。把煤低温直接转变为石墨材料，应用于锂离子电池行业，不但能解决环境污染问题，还能促进经济发展。目前，对于这方面的成果鲜有报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种煤直接低温转变为石墨材料的制备方法，其作为锂离子电池负极材料具有良好的比容量和循环稳定性。该方法的原材料(煤)易得，制备工艺为简单的活化、渗入和石墨化过程，这几步中所需的设备简单，该方法适合大规模生产。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括以下步骤：

步骤1、原料活化，将煤破碎并细化成200目以下的煤粉，然后对煤粉进行物理活化或化学活化；

步骤2、合金催化剂渗入，将活化后的煤粉与镁盐、添加剂和硼氢化钠按照1：(0.5-6)：(0.3-4)：0.5的质量比例放于溶剂中，在氮气气氛下进行微波水热2h-10h，反应温度为110℃-160℃，反应结束后进行过滤，然后将固体产物经过1-4天冷冻干燥得到含有均匀分布合金组分的煤粉混合物；

步骤3、低温石墨化，将步骤2制得的煤粉混合物在真空或保护气氛炉中600℃-1600℃煅烧1h-20h，产物用2M盐酸清洗除去杂质、过滤后在60℃烘干即得煤衍生高纯石墨材料。该石墨样品可直接作为锂离子电池负极材料使用。

步骤1中所使用的煤包括无烟煤、烟煤、次烟煤、焦煤或褐煤中的一种或任意几种混合物。

步骤1中所述物理活化为空气或者二氧化碳气体活化，活化温度为200-450℃，反应时间为2-5h。

步骤1中的化学活化，煤与活化剂和水的质量比为1：(1-10)：(1-100)，活化剂为NaOH、KOH或ZnCl₂，活化温度为400℃-800℃，活化时间为1h-4h。

步骤2中所使用的镁盐为氧化镁、氯化镁、碳酸镁、硝酸镁、乙酸镁、硅酸镁、硫酸镁和铬酸镁中的一种或任意几种混合物。

步骤2中的添加剂为碳酸铝、醋酸铝、硫酸铝、碳酸铁、硫酸铁、醋酸铁、二茂铁、碳酸镍、醋酸镍、硫酸镍、碳酸钴、醋酸钴、硫酸钴中的一种或任意几种混合物。

步骤2中所述的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮中的一种或者几种的任意比混合物。

步骤3中所述保护气氛为氩气、氮气和氢气中的一种或者几种的任意比混合物。

步骤3中所述煅烧炉子指使用微波真空熔炼炉、反重力微波冶金炉、真空热压烧结炉或空微波马弗炉中的一种。