[发明专利]一种硬碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硬碳材料及其制备方法和应用。在所述硬碳材料前驱体中引入导电性添加剂以提高所得材料的导电性，并结合变速升温预氧化引入大量含氧官能团，使材料骨架的交联度升高，提高了材料的强度，从而显著提升了储钠比容量、首圈库伦效率和倍率性能。所述硬碳材料用于钠离子电池具有可逆容量高、首圈库伦效率高、循环稳定性较好等优点。该材料的制备方法简单，原料廉价易得的特点，为钠离子电池负极提供了更多的选择。

技术领域

本发明涉及电池领域，更具体涉及硬碳材料制备方法及其在钠离子电池负极中的应用。

背景技术

由于石油资源的短缺和环境污染加剧，大力发展清洁能源日益重要。锂离子电池具有无污染、使用寿命长、可快速充放电等突出优点，已经被广泛的应用于便携式电子设备和电动汽车。但是随着应用领域的不断拓展和使用量的急剧增加，由于金属锂资源有限且分布不均匀，导致锂离子电池价格较高。与锂处于同一主族、物理化学相似的钠资源非常丰富，原材料价格低，且分布于世界各地，不受资源和地域的限制，在大规模储能系统应用中具有较大的成本优势。同时钠离子电池与锂离子电池具有相似的电化学脱嵌机制，因此钠离子电池有望在大规模储能中成为锂离子电池的替代者。

对于钠离子负极材料而言，目前常用的碳材料比容量小于300mAh/g、首圈库伦效率较低(70％)，因此开发高容量、高库伦效率的钠离子电池用作负极材料是目前研发的重点和热点。酚醛树脂是一种有机聚合物，因其具有较高的产碳率且形成硬碳后有较稳定的结构，可作为钠离子电池负极的选择之一。但是其材质较软且直接碳化后交联度较低，作为钠离子电池负极材料存在循环和倍率性能较差的问题，很大程度上限制了其在钠电池中的应用。

发明内容

…本发明提供了一种以酚醛树脂为原料经预氧化后碳化所得的硬碳材料，克服了目前钠电池负极材料首圈库伦效率低，可逆比容量低，循环稳定性差的缺陷。同时提供了一种原料易得、生产工艺简单的硬碳材料制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用。所述负极材料由酚醛树脂制备而得，其中酚醛树脂的平均粒径为10-50μm，比表面积为2-10m²/g。

本发明提供了一种硬碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)酚醛树脂预处理：酚醛树脂溶于有机溶剂中，加入导电添加剂，烘干，得到处理后的酚醛树脂复合物；

2)预氧化：在含有氧气的气氛下加热，得到预氧化颗粒；

3)冷却：将预氧化颗粒冷却，研磨得粉末；

4)高温碳化：将步骤(3)的粉末惰性气氛下高温碳化，球磨，得到硬碳材料。

所述含有氧气的气氛没有特别的限定，一般在氧气含量大于20％的气氛下即可，比如采用空气。

优选地，所述加热的预氧化步骤是指处理后的酚醛树脂依次经过快速升温、中速升温和慢速升温。

所述快速升温是以11-15℃/min的升温速率，快速升温至200-250℃，焙烧1-2h；所述中速升温是然后以8-10℃/min的升温速率，升温至300-350℃，焙烧1-2h；所述慢速升温以4-7℃/min的升温速率，升温至400-450℃，焙烧0.5-1h。