基于动力锂离子电池使用的中间相沥青炭微球的制备及性能调控

There are abundant coal source in Shanxi province. How to utilize effectively this resource with high additional value has gained great attention and become an important strategy in Shanxi province. This project aims to the design, preparation and energy-storage performance of mesocarbon microbeads (MCMB) for power lithium-ion batteries based on the abundant coal tar pitch in Shanxi. The processing parameters, formation mechanism and regularity of MCMB from coal tar pitches via the one-step emusion-polycondensation in an inert gas atmosphere will be revealed, and the effects of additives such as carbon nanotubes and graphene on the polycondensation of coal tar pitch, morphology, structure and Lithium-storage property of MCMB will be investigated in detail. New approach for the production of mesocarbon microbeads with high specific capacity, high-rate performance and long cycle ability will be developed for the application of power Lithium-ion batteries. The key scientific problems in the preparation of carbon materials from coal tar pitches will be resolved. These research results will be beneficial for the utilization with high efficiency and high value of coal tar pitch resource in Shanxi, and improve the processing techniques for coal tar pitch.

山西拥有丰富的煤炭资源，其深加工、高附加值利用日益引起关注，成为省科技发展的重要战略。本课题将基于山西地区丰富的煤焦油沥青资源，着眼于动力锂离子电池电极材料的性能要求，在充分考察山西煤沥青资源分布、组成、结构的基础上，开展适于动力锂离子电池使用的沥青基中间相炭微球材料的设计、制备、结构调控和性能研究，揭示沥青经一步乳化-液相炭化反应转化为高性能球型炭材料的工艺参数、机制和规律，探讨外来添加物质如纳米碳管和石墨烯对沥青聚合反应、中间相沥青炭微球形成、颗粒大小、分布、形貌、结构及储能性能的影响，获得高可逆容量、高倍率性能和良好循环稳定性的、适于动力锂电池使用的中间相炭微球的先进制备技术和形貌/结构控制方法，解决沥青制备储能用炭材料过程中的关键科学问题，实现煤化工企业副产物资源的高附加值利用，延伸产业链，促进山西优势资源的高效合理利用。

本项目着眼于锂离子电池高性能炭基负极材料的设计，在山西煤沥青资源调研和组成结构及热解行为研究的基础上开展了中间相沥青炭微球（MCMB）的新制备方法研究，考察了乳化聚合一步法、气相热解、溶剂热等制备工艺对MCMB形成和转化的影响，优化出具有应用前途的一步乳化法和气相热解法，揭示出沥青经一步乳化-液相炭化反应转化为高性能球型炭材料的工艺参数、机制和规律，获得外来添加物质如炭黑、石墨烯和POSS等对沥青聚合反应、MCMB形成、转化、颗粒分布、形貌、结构及储能性能的影响规律，发明具有高可逆容量、高倍率性能和良好循环稳定性的、适于动力锂电池使用的中间相炭微球的先进制备技术和形貌/结构控制方法，解决了沥青制备储能用炭材料过程中的一些关键科学问题，为实现煤化工企业副产物资源的高附加值利用，延伸产业链，促进山西优势资源的高效合理利用打下基础。.项目取得如下创新性研究成果：发明一步乳化成球-聚合-稳定化方法，实现MCMB的简单快速制备；获得外来添加物对中间相形成和转化的影响规律，为中间相的形貌结构调控提供指导；获得直接气相热解法制备炭微球的新方法，制备出碳片层沿球心取向的微米级洋葱型炭材料，实现规模化生产，用于锂离子电池负极材料时该材料显示出高的循环稳定性、良好倍率性能和低温性能；揭示出MCMB形貌结构尤其是片层排列方式对其储锂性能的影响规律，为MCMB的结构设计及在锂离子电池方面的应用提供技术基础。发表SCI论文40篇，获得授权专利4件，申报10件。