[发明专利]一种硬碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体公开了一种硬碳材料，以及其制备方法和应用。本发明提供的硬碳材料是呈不规则块状的蜂巢状多孔材料，硬碳材料内部具有介孔和微孔二级多孔结构。硬碳材料通过将碳源与模板剂混合，制备成固体反应物；之后将固体反应物置于惰性气体气氛进行预碳化处理；然后将预碳化处理后的材料破碎成粉末，去除模板剂进行造孔后再干燥得到前驱体材料；前驱体材料在惰性气体中进行热处理，得到硬碳材料。本发明方法制得的硬碳材料具有大的层间距和丰富的纳米多孔结构，为锂离子或钠离子的传输提供了更多通道，同时为离子嵌入和脱出提供了更多的活性位点和储锂或储钠空间，制成的二次电池具有高的容量和稳定的循环性能。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，特别是涉及二次电池用负极材料，具体涉及一种硬碳材料，以及其制备方法和应用。

背景技术

目前商业应用的锂离子电池(LIB)负极材料主要是石墨材料，石墨依靠锂离子在其长程有序的碳层中嵌入/脱出来储存电量。随着锂离子电池技术的逐渐成熟和需求的爆炸性增长，锂材料的消耗一直在不断增加，导致锂价格急剧上涨，寻找锂离子电池经济高效的替代解决方案显得尤为重要。Na⁺具有与Li⁺相似的物理化学性质，储量丰富，成本低廉，因此钠离子电池(SIB)受到广泛关注。但是，石墨的层间距不足以使半径更大的Na⁺在其层间自由脱嵌，因此，科研人员在寻找合适的负极材料方面极具挑战性。

而且，以石墨材料作为负极材料的二次电池容量不足，不太能满足动力电池的需求，层状结构的稳定性也有待提高，倍率性能也不够好。

因此，亟需提供替代石墨材料作为二次电池负极材料的新型材料。

与石墨相比，硬碳具有短程有序、各向同性的结构特征，层间距较大，可满足钠离子在层间自由脱嵌，并且还可以加快锂离子的扩散；同时，硬碳材料还具有循环性能和倍率性能较好、成本低等特点。因此，硬碳负极材料在包括锂离子电池以及钠离子电池的二次电池中都表现出较高的容量，具有较高的应用潜力。

关于硬碳材料的制备，目前已有相关的文献报道。本发明旨在提供一种新的硬碳材料，及其制备方法，以降低生产成本，并提高硬碳材料的性能。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种新型硬碳材料，所述新型硬碳材料可以作为包括锂离子电池和钠离子电池的二次电池的负极材料，尤其是可作为钠离子电池的负极材料。

本发明还提供了所述新型硬碳材料的制备方法。

本发明还提供了所述新型硬碳材料作为二次电池的负极材料的应用。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳源与模板剂混合制成固体反应物：

所述碳源为高分子聚合物、石油化工产品、生物质材料中的至少一种；

优选地，所述高分子聚合物任意选自聚丙烯腈、酚醛树脂、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二酯、聚糠醇中的至少一种；

所述石油化工产品任意选自天然沥青、煤基沥青、石油基沥青、氧化沥青中的至少一种；

所述生物质材料任意选自葡萄糖、淀粉、蔗糖、纤维素、木质素、植物残渣中的任意一种或几种，例如，所述生物质材料还可以为松果、椰果、核桃壳、麦秸、稻壳、蓝藻、豆渣、香蕉皮、棉花、泥炭、海藻、棉花壳中的任意一种或几种；

所述模板剂为高熔点水溶性盐；优选地，所述模板剂任意选自氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化铜、氯化锰、碳酸钠、碳酸钾、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸铝中的至少一种；

(2)将步骤(1)获得的固体反应物置于惰性气体气氛中进行预碳化处理；