[发明专利]一种高性能碳阳极PAN硬碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高性能碳阳极PAN硬碳材料及其制备方法，制备方法包括预氧化和碳化过程，利用惰性气体下高温烧结聚丙烯腈粉末得到聚丙烯腈硬碳微球块，用于锂离子电池的负极材料具有制备方法简单，成本低以及环保无毒等优点，本发明所制备得到的高性能碳阳极材料、尺寸均匀，直径范围可控，并可实现大规模工业生产，倍率性能好、循环稳定性较好，大大提升锂离子电池的倍率性能。

技术领域

本发明属于功能材料技术，涉及一种高性能碳阳极材料的制备方法，尤其涉及一种高性能碳阳极PAN硬碳材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其优良的储能特性，在移动通信、信息技术、消费电子、移动汽车等领域有着广泛的应用。随着人类社会的进步和发展，高级锂离子电池需要具有更高的容量、更好的速率性能和更长的使用寿命。在锂离子电池的所有部件中，电极材料是制约锂离子电池性能的关键因素。其中，负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池的电化学性能有重要影响。在锂离子电池阳极材料中，碳材料具有电极电位低、循环效率高、循环寿命长、安全性能好等优点，是锂离子电池的首选阳极材料。

目前，石墨是一种常见的碳阳极材料，具有良好的分层结构，适合锂离子嵌入和去隔化，具有高导电性和高可逆特异性的优点，已成为一种广泛使用的传统商用负极材料。然而，传统的石墨阳极材料还存在一些缺陷，严重限制了其应用。首先，石墨负极的理论容量仅为372mAhμg-1，远远达不到高性能锂离子电池的要求；其次，分层结构稳定性差，在长电荷放电周期后容易坍塌，导致特定容量严重降低，储能寿命大减；第三，电解质分解在第一次放电时会产生较大的不可逆容量。这些缺陷在很大程度上限制了石墨阳极材料在高性能锂离子电池中的应用。

因此，我们一直致力于寻找高性能、高容量、稳定分层结构、长循环寿命等新型碳阳极材料。这些研究工作为开发高性能新型碳阳极材料提供了很好的思路。然而，对于分层石墨阳极材料，除了上述缺点外，层间间距小，Li+只能嵌入材料的端面，这势必增加锂离子的扩散阻力。因此，分层石墨负极的速率性能较差，限制了其在高功率电池中的应用。因此，提高碳阳极材料的容量和速率性能是当前亟待解决的重要问题。

低温无定形碳球由于制备方法简单，成本较低，污染小、可实现大规模生产等优点，同时其作为锂离子电池负极材料表现出高的比容量，大的比表面积以及相对稳定的结构等，被认为是很有发展前景的负极材料之一。根据锂离子在碳材料中的脱嵌机理，低温无定形碳中的微孔结构更适合锂离子的脱嵌。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提出一种高性能碳阳极PAN硬碳材料，用其制备的高性能碳阳极材料稳定性高、高倍率循环性能好，放电容量大。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高性能碳阳极PAN硬碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将聚丙烯腈粉末铺满瓷舟；

步骤2、预氧化：将瓷舟置于氧气气氛中以1-5℃/min从室温升温至250℃-300℃，保温2h后冷却至室温；

步骤3、碳化：将步骤2中得到的预氧化聚丙烯腈在惰性气体气氛中以1-3℃/min从室温升温至500℃-600℃保温0.5h，再以3-6℃/min升温至700-1500℃保温1h，冷却至室温即得到高性能碳阳极PAN硬碳材料。

进一步，所述步骤1中聚丙烯腈粉末相对分子质量为15W。

进一步，所述步骤2中从室温升至280℃，保温2h后冷却至室温。

进一步，所述步骤3中二次升温至1100℃，保温1h后冷却至室温。

进一步，将步骤3得到的PAN硬碳材料经预研磨，过100-200目筛，将得到的粉体在有机溶剂中60℃超声分散2h，抽滤，干燥得到纯净的聚丙烯腈硬粉末，再研磨过270-400目筛，得到极细的聚丙烯腈硬碳材料。