煤直接液化重质有机物制备硬碳及其储钠性能

Coal direct liquefaction technology is important to ensure the national energy security. The heavy organics produced in the liquefaction process has the structural characteristics of enriched naphthenes and is a high-quality precursor of carbon materials. At the same time, due to environmental and economic needs, sodium ion battery as an energy storage device develop rapidly in recent years, and hard carbon is considered the most practical sodium ion battery anode material. The present application is intended to use the liquefied heavy organics with the rich naphthenes as raw material, the modulation of initial structure of carbon source is doned by the chemical / oxidative crosslinking technique, hard carbon for the anode material of the sodium ion battery is prepared by carbonization the carbon source..Explore the evolution mechanism of the structure during the chemical / oxidative crosslinking and carbonization. Study the electrochemical storage capacity of prepared hard carbon materials, and establish the regular relationship between synthesis process, product structure and battery performance. Develop a convenient technology for the preparation of hard carbon from coal liquefied heavy organics, and provide a new idea for the high-value utilization of direct liquefaction heavy organics.

煤炭直接液化是保障国家能源安全的重要技术，液化过程中产生的重质有机物具有富含环烷烃的结构特点，是一种碳材料的优质前体原料。同时，出于环保及经济性的需求，钠离子电池储能近年来发展迅速，硬碳被认为是最具实用化的钠离子电池负极材料。本申请拟以煤炭液化重质有机物为原料，利用原料中丰富的环烷烃的结构特点，通过化学（或氧化）交联引入sp3碳中心，增加芳核之间的桥联，阻碍碳化过程中稠环芳烃分子向石墨碳层发展，制备用于钠离子电池负极的硬碳材料。研究化学/氧化交联、炭化过程中结构的演变机制，研究硬碳的电化学储钠性能，建立合成技术、产品结构与性能之间的规律性关系。开发一条简便的由煤炭液化重质有机物制备硬碳的技术，为煤炭直接液化重质有机物的高品位利用提供一条新思路。

硬碳被认为是钠离子电池负极材料的首选，煤液化沥青是煤炭液化过程中产生的重质有机物，是一种优质的碳材料前体。影响碳材料结构的因素有很多，其中碳源的组成、结构是重要的因素。本项目以液化沥青为原料，通过化学/氧化交联引入sp3碳中心，成功制得钠电负极硬碳。研究了化学交联、空气氧化等沥青预处理对碳前体组成结构的影响规律，研究了碳前体与碳结构之间的规律性关系，研究了钠电体系下硬碳的储钠行为。为液化重质有机物的高附加值利用提供了一条新途径，为硬碳提供了一种优质的原料来源。.主要结果如下：重质有机物的化学交联/氧化预处理是控制碳材料微结构的有效方式，交联/氧化强度不同，影响产品硬碳层间距和微晶尺寸大小，这为我们利用微晶结构提供了可能。化学交联/氧化预处理，改变了沥青到碳的演变路径，预处理样品的空间位阻效应，使得沥青高温热加工过程原本的石墨化趋势被限制。在本工作条件下的几种沥青预处理方式中，空气氧化预处理是最具经济前景的技术，应进行进一步深入的研究。.硬碳储钠过程除与负极的微结构相关外，与相对应的电池体系相匹配也是重要的考量因素。硬碳的储钠过程呈现典型的平台区和斜坡区，材料的平台容量与其石墨微晶的层数正相关。硬炭比表面积低、层间距大，其平台容量应当来源于钠在硬炭材料的石墨微晶中的插层储钠。.两亲碳的路径，不仅仅是沥青基硬碳制备过程控制大层间距的手段，也可以利用两亲性的特点获得M/C，Fe/C和Sn/C的研究表明，金属颗粒均呈纳米粒径均匀分布在碳基体，这为合成碳复合材料，如金属/碳基催化剂的合成提供了新思路。.在釜式搅拌小试装置上研究了煤液化残渣的单级萃取和两级萃取分离，以高产率获得了高品质液化沥青。考查了萃取溶剂、温度、溶剂/残渣比等对萃取效果的影响，确定了萃取溶剂和残渣萃取混合液合适的固液分离方式。为放大规模的液化残渣中重质有机物的分离工业化实践提供了重要的数据保障。