工程科学学报.第42卷.第7期：884-893.2020年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.7:884-893,July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.11.005;http://cje.ustb.edu.cn 无烟煤制备高性能锂离子电池负极材料的研究 王晶晶，赵洪亮)，胡韬)，刘风琴)四 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)安徽新衡新材料科技有限公司.马鞍山243071 ☒通信作者，E-mail:liufq@ustb.edu.cm 摘要以我国资源丰富的低成本优质无烟煤为原料，经过2800℃高温纯化、石墨化处理，制备出锂电池用负极材料，用相 同手段处理商业化石墨的前体石油焦与石墨化无烟煤作对比.通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显 微镜(TEM),拉曼光谱(Roman)和氮吸附-解吸等手段对无烟煤基负极材料进行微观结构的表征.采用恒流充放电(GCD),循 环伏安(CV)表征其电化学性能.实验结果表明，无烟煤基石墨化负极材料的石墨化度可达95.44%，比表面积为1.1319m2g, 石墨片层结构平整光滑.该石墨化无烟煤作为锂离子电池的负极材料首次库伦效率为87%，在0.1C的电流密度下具有345.3mAh:g1 的可逆容量，且在高倍率下该材料比石墨化石油焦材料显现出更好储锂性能，这归功于石墨化无烟煤较为规则高度有序的表 面结构.在不同倍率循环后电流密度恢复到0.1C时容量基本无衰减.100圈循环后可逆容量保持率高达93.8%.基本与石墨 化石油焦负极相当，拥有优异的循环稳定性.无烟煤基石墨在容量、倍率性能及循环稳定性上基本接近甚至超过石墨化石油 焦.本研究表明，采用优质无烟煤作为原料生产锂离子电池负极材料具有潜在的研究价值和广阔的商业前景 关键词无烟煤：高温石墨化：负极材料：高石墨化度：锂离子电池 分类号TM912.9 High-performance anode materials based on anthracite for lithium-ion battery applications WANG Jing-jing,ZHAO Hong-liang.HU Tao,LIU Feng-qin 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Anhui Xinheng New Materials Technology Co.,Ltd.,Maanshan 243071,China Corresponding author,E-mail:liufq @ustb.edu.cn ABSTRACT The rise in the price of petroleum coke and needle coke,which are used as anode materials of lithium-ion batteries,has revealed the difficulty of the industry in finding high-performance and low-cost alternatives of these raw materials.In this study. anthracite,a low-cost,high-quality raw material,of which China is rich in resources,was used.After a 2800C purification and graphitization treatment,the anode material for lithium battery was prepared.Petroleum coke,as the precursor of commercial graphite, was treated using the same method that was being used for graphitized anthracite,for comparison reasons.The microstructure of anthracite-based anode materials was characterized using X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy (SEM),transmission electron microscopy (TEM),Raman spectroscopy (Roman),and nitrogen adsorption-desorption.Cyclic voltammetry (CV)was used to characterize the electrochemical performance of anthracite-based anode materials by applying constant current charge and discharge (GCD).The experimental results show that the graphitization degree of anthracite-based graphitized anode material can reach 95.44%, with the specific surface area being 1.1319 m2g,and the graphite sheet structure is found to be smooth.The graphitized anthracite,as the anode material of a lithium-ion battery,has a first coulombic efficiency of 87%and a reversible capacity of 345.3 mA-hg at a 收稿日期：2019-07-11 基金项目：中国工程院院地合作资助项目(2019NXZD5)无烟煤制备高性能锂离子电池负极材料的研究 王晶晶1)，赵洪亮1)，胡    韬2)，刘风琴1) 苣 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 安徽新衡新材料科技有限公司，马鞍山 243071 苣通信作者，E-mail：liufq@ustb.edu.cn 摘    要    以我国资源丰富的低成本优质无烟煤为原料，经过 2800 ℃ 高温纯化、石墨化处理，制备出锂电池用负极材料，用相 同手段处理商业化石墨的前体石油焦与石墨化无烟煤作对比. 通过 X 射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM），透射电子显 微镜（TEM），拉曼光谱（Roman）和氮吸附−解吸等手段对无烟煤基负极材料进行微观结构的表征. 采用恒流充放电（GCD），循 环伏安（CV）表征其电化学性能. 实验结果表明，无烟煤基石墨化负极材料的石墨化度可达 95.44%，比表面积为 1.1319 m 2 ·g−1 ， 石墨片层结构平整光滑. 该石墨化无烟煤作为锂离子电池的负极材料首次库伦效率为 87%，在 0.1C 的电流密度下具有 345.3 mA·h·g−1 的可逆容量，且在高倍率下该材料比石墨化石油焦材料显现出更好储锂性能，这归功于石墨化无烟煤较为规则高度有序的表 面结构. 在不同倍率循环后电流密度恢复到 0.1C 时容量基本无衰减，100 圈循环后可逆容量保持率高达 93.8%，基本与石墨 化石油焦负极相当，拥有优异的循环稳定性. 无烟煤基石墨在容量、倍率性能及循环稳定性上基本接近甚至超过石墨化石油 焦. 本研究表明，采用优质无烟煤作为原料生产锂离子电池负极材料具有潜在的研究价值和广阔的商业前景. 关键词    无烟煤；高温石墨化；负极材料；高石墨化度；锂离子电池 分类号    TM912.9 High-performance  anode  materials  based  on  anthracite  for  lithium-ion  battery applications WANG Jing-jing1) ，ZHAO Hong-liang1) ，HU Tao2) ，LIU Feng-qin1) 苣 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Anhui Xinheng New Materials Technology Co., Ltd., Maanshan 243071, China 苣 Corresponding author, E-mail: liufq@ustb.edu.cn ABSTRACT    The rise in the price of petroleum coke and needle coke, which are used as anode materials of lithium-ion batteries, has revealed  the  difficulty  of  the  industry  in  finding  high-performance  and  low-cost  alternatives  of  these  raw  materials.  In  this  study, anthracite,  a  low-cost,  high-quality  raw  material,  of  which  China  is  rich  in  resources,  was  used.  After  a 2800 °C  purification  and graphitization treatment, the anode material for lithium battery was prepared. Petroleum coke, as the precursor of commercial graphite, was  treated  using  the  same  method  that  was  being  used  for  graphitized  anthracite,  for  comparison  reasons.  The  microstructure  of anthracite-based anode materials was characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy (Roman), and nitrogen adsorption-desorption. Cyclic voltammetry (CV) was used to characterize  the  electrochemical  performance  of  anthracite-based  anode  materials  by  applying  constant  current  charge  and  discharge (GCD). The experimental results show that the graphitization degree of anthracite-based graphitized anode material can reach 95.44%, with the specific surface area being 1.1319 m 2 ·g−1, and the graphite sheet structure is found to be smooth. The graphitized anthracite, as the anode material of a lithium-ion battery, has a first coulombic efficiency of 87% and a reversible capacity of 345.3 mA·h·g−1 at a 收稿日期: 2019−07−11 基金项目: 中国工程院院地合作资助项目（2019NXZD5） 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期：884−893，2020 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 7: 884−893, July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.11.005; http://cje.ustb.edu.cn