本發(fā)明涉及一種用于鋰電池的碳材料及其制備方法，屬于化學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著當(dāng)今社會移動便攜式設(shè)備的需求日益增加，能量密度高，循環(huán)壽命長且無污染的可充電鋰電池越來越受到科研人員的關(guān)注，改善鋰電池的電化學(xué)性能，尋求合適的電極材料，探究新的鋰電池體系，一直是電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

碳材料作為鋰電池中常用的一種材料，不但可用于鋰離子電池中的負(fù)極，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰為正極的電池中采用石墨為負(fù)極，通過鋰離子在石墨中的嵌入嵌出發(fā)生氧化還原作用，產(chǎn)生電量；還能在鋰金屬電池中制備正極材料，如鋰硫電池中的碳硫復(fù)合材料，通過碳材料的高導(dǎo)電性，為不導(dǎo)電的單質(zhì)硫氧化還原作用提供電荷傳遞，從而形成循環(huán)。然而，由于碳材料上官能團(tuán)的缺失，具有一定的疏水性，在一般溶劑中不溶解，分散性差，容易團(tuán)聚，導(dǎo)致加工困難，同時，以碳基材料為主的電池負(fù)極，由于石墨材料的理論容量僅為372mahg^-1，存在著比容量低，首次充放電效率低，有機(jī)溶劑共嵌入等不足，導(dǎo)致電池的儲鋰量低及鋰脫嵌可逆性差，最終影響電池的容量及循環(huán)性能。

為了解決鋰電池中碳材料的這些問題，科研工作者通過對碳材料進(jìn)行表面改性的方式，提升其分散性，如強(qiáng)酸或強(qiáng)氧化劑氧化法(j.liu.etal.science1998，280，1253-1256)，通過在碳材料表面引入羧基，然后經(jīng)過?；确磻?yīng)進(jìn)一步引入羥基、氨基、溴基等反應(yīng)性基團(tuán)；通過將碳材料與其他材料進(jìn)行復(fù)合制備電池負(fù)極，如中國專利cn102751503a公布了一種碳/錫酸鋰/石墨烯復(fù)合負(fù)極材料，由于石墨烯、錫酸鋰的摻入，有效緩解了充放電所引起的體積變化，抑制鋰脫嵌時碳材料的團(tuán)聚，避免電極材料容量衰減過快。

在碳材料上接枝鋰化磺酸基不但在一定程度上增強(qiáng)其親水性，提高它在溶劑中的分散性，還增強(qiáng)了電子導(dǎo)電性及離子電導(dǎo)率，提升電池容量及循環(huán)性能。傳統(tǒng)的接枝鋰化磺酸基的方法是通過在乙酸酐與濃硫酸混合溶液中加熱處理得到磺酸化的碳材料，然后進(jìn)行鋰化處理，該方法由于接枝量較少，改性程度十分有限。本發(fā)明提供了一種制備含鋰化磺酸基的碳材料的新方法，通過在碳材料表面包覆一層聚合物，然后再通過聚合物上的位點(diǎn)接枝磺酸基團(tuán)，最后鋰化得到鋰化磺酸基，由于聚合物對碳材料的包覆量較大，從而導(dǎo)致鋰化磺酸基的接枝量得到提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于鋰電池的含鋰化磺酸基的碳材料及其制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：用于鋰電池的碳材料及其制備方法步驟如下：

取質(zhì)量比為1∶0.01～0.25的碳材料與聚合物單體按固液比為1∶30～50加入到分散劑中進(jìn)行分散，然后用滴液漏斗緩慢滴加用同樣分散劑分散的引發(fā)劑，聚合物單體與引發(fā)劑的比例為質(zhì)量比1∶1～5，以100～1000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌加熱至40～200℃反應(yīng)1～48小時，得到聚合物包覆的碳材料，然后按固液比為1∶30～50將該復(fù)合材料分散于有機(jī)溶劑中，緩慢滴入同樣有機(jī)溶劑溶解的氯磺酸，聚合物單體與氯磺酸的質(zhì)量比為1∶0.1～0.8，有機(jī)溶劑氯磺酸的質(zhì)量比為1∶0.01～0.1，以100～1000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌加熱至40～200℃反應(yīng)1～48小時，最后用鋰化試劑對其進(jìn)行鋰化處理，得到含鋰化磺酸基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01％～20％的改性碳材料；

碳材料為微孔碳、活性碳、生物碳、中孔炭、介孔碳、大孔碳、介孔微孔碳、大孔微孔碳、大孔介孔碳、大孔介孔微孔碳、石墨、石墨烯、纖維碳、碳黑、碳納米管或乙炔黑；聚合物為聚苯胺、聚噻吩、聚多巴胺、聚吡咯或聚丙烯腈；引發(fā)劑為過硫酸銨、過硫酸鈉、過硫酸鉀、偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈、過氧化苯甲酰或叔丁基過氧化氫；分散劑為稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸或水；有機(jī)溶劑為氯乙烷、1，2-二氯乙烷、1，1，2-三氯丙烷或1，2，3-三氯丁烷；鋰化試劑為金屬鋰、氫氧化鋰、氧化鋰或碳酸鋰。

本發(fā)明的有益效果：通過在碳材料上包覆一層聚合物，然后在聚合物上接枝磺酸基團(tuán)，最后鋰化處理得到含鋰化磺酸基的碳材料，由于碳材料上聚合物的包覆量較大，所以鋰化磺酸基的接枝量也較大，這對于其在鋰電池中的應(yīng)用有著重要的作用。

附圖說明

圖1含鋰化磺酸基碳材料的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2含鋰化磺酸基碳納米管的掃描電鏡圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

稱取5g多壁碳納米管置于三口瓶中，依次加入100ml1mol/l的鹽酸，0.5g苯胺，超聲分散1h，再放入冰水浴中冷卻攪拌20min，用滴液漏斗加入50ml1mol/l鹽酸溶解的1g過硫酸銨，滴完后冰水浴環(huán)境下反應(yīng)5h，產(chǎn)物分別經(jīng)鹽酸，蒸餾水過濾洗滌至中性，得到表面包覆聚苯胺的碳納米管。取包覆聚苯胺的碳納米管分散于150ml1，2-二氯乙烷中，超聲分散1h后，將0.3g氯磺酸溶解于1，2-二氯乙烷中并滴入反應(yīng)體系，滴加時間0.5h，溫度75℃，滴完后繼續(xù)反應(yīng)4h并快速攪拌，真空抽濾，依次用乙醇，去離子水洗滌至濾液為無色，再將該復(fù)合物浸入適量水中70℃反應(yīng)4h，降溫后加入氫氧化鋰進(jìn)行常溫?cái)嚢?h，得到含鋰化磺酸基的碳納米管。

實(shí)施例2

稱取5g石墨烯置于三口瓶中，依次加入100ml1mol/l的鹽酸，0.5g多巴胺，超聲分散1h，再放入冰水浴中冷卻攪拌20min，用滴液漏斗加入50ml1mol/l鹽酸溶解的1g過硫酸鉀，滴完后冰水浴環(huán)境下反應(yīng)10h，產(chǎn)物分別經(jīng)鹽酸，蒸餾水過濾洗滌至中性，得到表面包覆聚多巴胺的石墨烯。取包覆聚多巴胺的石墨烯分散于250ml1，2-二氯乙烷中，超聲分散1h后，將0.5g氯磺酸溶解于1，2-二氯乙烷中并滴入反應(yīng)體系，滴加時間1h，溫度75℃，滴完后繼續(xù)反應(yīng)6h并快速攪拌，真空抽濾，依次用乙醇，去離子水洗滌至濾液為無色，再將該復(fù)合物浸入適量水中70℃反應(yīng)4h，降溫后加入氫氧化鋰進(jìn)行常溫?cái)嚢?h，得到含鋰化磺酸基的石墨烯。

實(shí)施例3

稱取5g乙炔黑置于三口瓶中，依次加入200ml1mol/l的鹽酸，0.5g苯胺，超聲分散1h，再放入冰水浴中冷卻攪拌20min，用滴液漏斗加入50ml1mol/l鹽酸溶解的1g過硫酸鈉，滴完后冰水浴環(huán)境下反應(yīng)10h，產(chǎn)物分別經(jīng)鹽酸，蒸餾水過濾洗滌至中性，得到表面包覆聚苯胺的乙炔黑。取包覆聚苯胺的乙炔黑分散于150ml1，2-二氯乙烷中，超聲分散1h后，將0.3g氯磺酸溶解于1，2-二氯乙烷中并滴入反應(yīng)體系，滴加時間1h，溫度75℃，滴完后繼續(xù)反應(yīng)6h并快速攪拌，真空抽濾，依次用乙醇，去離子水洗滌至濾液為無色，再將該復(fù)合物浸入適量水中70℃反應(yīng)4h，降溫后加入氧化鋰進(jìn)行常溫?cái)嚢?h，得到含鋰化磺酸基的乙炔黑。

實(shí)施例4

稱取5g活性炭置于三口瓶中，依次加入200ml1mol/l的鹽酸，0.5g吡咯，超聲分散1h，再放入冰水浴中冷卻攪拌20min，用滴液漏斗加入50ml1mol/l鹽酸溶解的1g過硫酸銨，滴完后冰水浴環(huán)境下反應(yīng)10h，產(chǎn)物分別經(jīng)鹽酸，蒸餾水過濾洗滌至中性，得到表面包覆聚吡咯的碳納米管。取包覆聚吡咯的活性炭分散于150ml1，2-二氯乙烷中，超聲分散1h后，將0.3g氯磺酸溶解于1，2-二氯乙烷中并滴入反應(yīng)體系，滴加時間1h，溫度75℃，滴完后繼續(xù)反應(yīng)6h并快速攪拌，真空抽濾，依次用乙醇，去離子水洗滌至濾液為無色，再將該復(fù)合物浸入適量水中70℃反應(yīng)4h，降溫后加入氧化鋰進(jìn)行常溫?cái)嚢?h，得到含鋰化磺酸基的活性炭。

實(shí)施例5

稱取5g科琴碳置于三口瓶中，依次加入100ml1mol/l的鹽酸，0.5g苯胺，超聲分散1h，再放入冰水浴中冷卻攪拌20min，用滴液漏斗加入50ml1mol/l鹽酸溶解的1g過硫酸銨，滴完后冰水浴環(huán)境下反應(yīng)12h，產(chǎn)物分別經(jīng)鹽酸，蒸餾水過濾洗滌至中性，得到表面包覆聚苯胺的科琴碳。取包覆聚苯胺的科琴碳分散于150ml1，2-二氯乙烷中，超聲分散1h后，將0.3g氯磺酸溶解于1，2-二氯乙烷中并滴入反應(yīng)體系，滴加時間0.5h，溫度75℃，滴完后繼續(xù)反應(yīng)12h并快速攪拌，真空抽濾，依次用乙醇，去離子水洗滌至濾液為無色，再將該復(fù)合物浸入適量水中70℃反應(yīng)6h，降溫后加入氫氧化鋰進(jìn)行常溫?cái)嚢?h，得到含鋰化磺酸基的科琴碳。