[发明专利]一种煤基复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种煤基复合负极材料及其制备方法与应用。所述方法首先采用在空气气氛下高温煅烧去除无烟煤中的有机质挥发分与一部分低熔点的无机物杂质，将其转化成石墨化程度较高的多孔煤基负极材料，再进一步纯化得到高纯度煤基负极材料。然后利用真空和加压浸渍技术，将含硅源和有机碳源的浆料扩散到高纯度煤基负极材料的孔隙中，使得硅源均匀分布于煤基负极材料表层的孔隙中和任选地表面。所述方法制备得到的负极材料能够保留无烟煤的整体结构特性，并将硅源填充在煤基负极材料的孔隙内部，煤基负极材料可有效的缓解硅源的体积膨胀效应并提供良好的导电网络，提升负极材料的可逆容量，显著提高了硅碳负极材料应用于锂离子电池中的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种煤基复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池具有比容量高、稳定的工作电压、安全性好、无记忆效应等一系列的优点，因此被广泛应用于笔记本电脑、移动电话和仪器仪表等诸多便携式电子设备中。随着各种电子设备以及电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池的能量密度以及循环寿命的要求越来越高。负极材料是电池中的重要组成部分，其与正极材料一起决定着锂离子电池的循环寿命、容量和安全性等关键性能，成为各国研究的重点。

目前商业化负极材料仍以石墨类为主，主要有天然石墨、石油焦、煤焦、沥青炭等，天然石墨是不可再生资源，随着我国近些年对天然石墨矿的大规模勘探开发，一些优质的石墨矿产资源逐渐枯竭。目前人造石墨是以优质石油焦或煤系针状焦为原料经高温石墨化合成。但该技术路线面临两大问题，其一原料不可控，国内合成石墨企业所需的优质石油焦和煤系针状焦原料大都需要从美国、日本、韩国等进口，进口价格波动剧烈，且严重依赖石油资源；其二能耗高，人造石墨所需温度高达2500～3000℃，生产过程中耗电量极大，与我国的“双碳”政策背道而驰。

无烟煤煤资源丰富、价格低廉，但目前大部分无烟煤还是直接进行燃烧利用，附加值低。即使现有的技术以无烟煤为原料成功石墨化制备出石墨，也是在高温(2500℃以上)下实现的。因此，如何利用无烟煤制备出性能优异的负极材料，仍然是当前锂离子电池领域亟待解决的技术热点。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种煤基复合负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将无烟煤在空气气氛下进行煅烧处理，得到煤基负极材料；

(2)将步骤(1)的煤基负极材料进行提纯处理，得到高纯煤基负极材料；

(3)将硅源、有机碳源和溶剂混合，得到浆料；

(4)将步骤(2)的高纯煤基负极材料和步骤(3)的浆料混合，进行加压浸渍；

(5)将步骤(4)的浸渍后的材料进行碳化，制备得到所述煤基复合负极材料。

根据本发明，步骤(1)中，所述无烟煤中固定碳的质量含量≥90.0％。

根据本发明，步骤(1)中，所述无烟煤的平均粒径为40mm-100mm，例如为40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm。

根据本发明，步骤(1)中，所述煅烧的设备例如是电炉，所述煅烧处理的温度为1800-2200℃，所述煅烧处理的时间为3-12小时。示例性地，所述煅烧处理的温度为1850℃、1900℃、1950℃、2000℃、2050℃或2150℃。所述煅烧处理的时间为3小时、4小时、5小时、6小时、8小时、10小时或12小时。

根据本发明，步骤(1)中，所述煅烧过程中，无烟煤中的有机质挥发分(含C和H)通过与空气气氛中的氧气发生反应生成气体(CO₂、CO、H₂O)去除，同时一部分低熔点的无机物杂质也挥发掉。进一步地，煅烧完成后，使所得产物自然降温到室温后，粉碎，得到煤基负极材料。