[发明专利]一种用于锂离子电池的碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种适用于锂离子电池的碳负极材料，该材料具有一定的石墨化度，主要由石墨微晶区域组成，随机的交融有无定形碳组分。该材料不需要经过高温石墨化处理就具有典型的石墨材料特征衍射峰(002)晶面峰。其制备方法大致为：将易溶于水的含碳化合物与含有过渡金属元素的化合物均匀的溶解于溶剂中，先在60~100℃低温下干燥，然后破碎，再在150~200℃温度下焦化，再次破碎，在惰性气氛保护下进行炭化，冷却至室温后经酸洗、过滤、干燥得到。本发明的碳负极材料具有容量高且倍率性能好的特点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种适用于锂离子电池的碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池被认为是最有希望应用在电动汽车上的一种动力电源。为了满足动力电源的要求，高倍率、高容量的负极材料对锂离子电池是至关重要的。在种类繁多的负极材料中，石墨是应用最广泛的，但其理论容量只有372mAh/g，实际获得容量往往不足360mAh/g，这个可逆容量还不能让人满意。且锂离子沿z轴方向嵌入石墨中时比较困难，导致其在大电流充放电时性能较差，容易在表面生成锂枝晶造成安全隐患。因此，石墨作为锂离子电池负极材料来满足动力汽车产业迫切需要的快速充电性能就变成了不可能完成的任务，尤其是在低温条件下。

硬碳材料作为锂离子电池负极材料比石墨有更高的容量和更好的倍率性能。Dahn等人通过热解酚醛树脂在不同温度下制得硬碳材料，发现在较低温度下制备的硬碳材料具有较高的容量但也伴随着严重的电压滞后现象。虽然硬碳材料具有较高的放电比容量，但是很大一部分是在0.05V以下的电位体现，电势在接近0V时，锂很容易沉积在负极表面从而引起安全问题。此外，硬碳材料在首次充放电过程中有很大的不可逆容量，这些都阻碍了它的商业化。

在传统条件下人工合成石墨，一般都需要很高的热处理温度(2000ºC)，但是大量研究表明具有石墨结构的炭材料也可以在相对很低的温度(1000ºC)下制得，这就需要催化剂(如Fe，Co，Ni，Mn等)的帮助。由于所选聚合物前驱体没有孔结构，导致所得的这些炭材料具有较少的孔洞结构，表现较差的电化学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种容量高且倍率性能好的适用于锂离子电池的碳负极材料。该碳材料具有典型的石墨材料特征衍射峰(002)晶面峰，且不需要经过高温石墨化处理。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种用于锂离子电池的碳负极材料，所述碳负极材料具有石墨微晶结构和无定形碳结构，并且所述石墨微晶结构与无定形碳结构相互交融，其中石墨微晶结构占主要部分；所述碳负极材料的粒径D50在500nm~200um；所述碳负极材料具有多孔结构，BJH平均孔直径在5.0~10.0nm，比表面积≥80.0m²/g。

作为上述技术方案的优选，所述石墨微晶结构的石墨微晶区域大小在5nm~500nm之间，且内部微晶以点状为中心呈散射状形态；所述无定形碳结构的无定形碳区域呈不规则形状，大小在0.5nm~2um，随机地分布于碳负极材料的内部、表面及颗粒连接处。

本发明的另一个目的提供上述碳负极材料的制备方法。

碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：将易溶于水的含碳化合物与含有过渡金属元素的化合物均匀地溶解于溶剂中，在60~100℃温度下干燥，然后经研磨再在150~200℃温度下热处理，热处理后再次研磨，然后在惰性气氛保护下于800~1200℃高温下进行炭化，冷却至室温后经酸洗、过滤、干燥，得到最终产物。

作为优选，所述易溶于水的含碳化合物的溶解度≥100g/100g水。优选地有，葡萄糖、蔗糖、多糖。