[发明专利]电化学高速率储存材料、方法和电极

说明书

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§120，要求2012年7月13日提交的美国申请系列第13/548,515号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

发明背景

领域

本发明涉及碳材料和用于生产碳材料的方法。

技术背景

可以将碳材料结合到电池(例如锂离子电池)的阳极中。在常规电池中，石墨用作阳极材料。但是，含石墨阳极在高电池容量率下会展现出差的性能。因此，需要一种在高电池容量率下具有改进的性能的阳极材料。

概述

本发明的构思通常地可适用于碳材料和制造碳材料的方法。根据一个实施方式，揭示了一种形成非活性的、大部分非石墨的无定形碳的方法。该方法包括：提供碳化的前体材料，在第一加热步骤中对前体材料进行加热以产生热处理的碳材料，该热处理的碳材料具有小于约500m²/g的比表面积和小于约20质量％的石墨含量，对热处理的碳材料进行纯化，以及在第二加热步骤中对纯化的碳材料进行加热以产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约500m²/g的比表面积和小于约20质量％的石墨含量。纯化的行为可包括以下至少一种：(a)用包含酸性化学物质的酸性化学溶液对热处理的碳材料进行处理，以及(b)用包含碱性化学物质的碱性化学溶液对热处理的碳材料进行处理。

根据其他实施方式，可以通过如下方式生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料：提供碳化的前体材料，在第一加热步骤中对碳化的前体材料进行加热以产生热处理的碳材料，通过用酸性化学溶液和/或碱性化学溶液进行处理来对热处理的碳材料进行纯化，以及对纯化的碳材料进行加热来产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。热处理的碳材料和非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可分别表征为：(i)小于约500m²/g的比表面积，以及(ii)大部分不是石墨，通过拉曼石墨化比例测得小于约2:1和/或X射线石墨化比例小于约10:1。

根据本发明的另一个实施方式，锂离子电池包含阳极、阴极和电解质，其中所述阳极包含非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。该非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可具有小于约500m²/g的比表面积并且小于约20质量％是石墨。因此，大部分非石墨的无定形碳材料可以同时是大部分非石墨且大部分是无定形的。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的各种实施方式的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图简要说明

当结合以下附图阅读下面对本发明的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：

图1是示例性非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的示意性斯托克斯拉曼偏移光谱图；

图2是示例性非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的示意性X射线衍射光谱图；

图3是锂离子电池的示意图；以及

图4是图3的锂离子电池的阳极的示意图。

发明详述

根据一个实施方式，一种用于生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的方法包括：提供碳化(例如预先碳化)的前体材料，在某一温度下、在第一加热步骤中对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间有效地产生热处理的碳材料，对热处理的碳材料进行纯化，以及在某一温度下、在第二加热步骤中对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间有效地产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。

在各种实施方式中，可以通过如下方式产生碳化的前体：在约800℃对合适的含碳材料加热约2小时，之后以600℃/小时冷却至室温。碳化的前体材料可以源自，例如可食用的谷物，如小麦粉、胡桃粉、玉米粉、玉米淀粉、大米粉和马铃薯粉。其他合适的含碳前体材料包括甜菜、粟、大豆、大麦和棉花。碳化的前体材料可以源自作物或植物，所述作物或植物可以是转基因的，也可以不是转基因的。碳化的前体可以是经研磨的材料，从而使得平均粒度可以约为5μm。