[发明专利]一种软硬复合碳及其制备方法、应用

说明书

本申请公开了一种软硬复合碳及其制备方法和应用，所述软硬复合碳为软碳前驱体与硬碳前驱体聚合形成肽键，然后碳化得到的空心颗粒状材料；所述硬碳前驱体选自三聚氰胺类似物；所述软碳前驱体选自酸酐类化合物。本申请中软硬复合碳的空心结构能有效缓解电极材料在充放电过程中的体积膨胀效应。

技术领域

本申请涉及一种软硬复合碳及其制备方法及应用，属于材料化学能源领域。

背景技术

锂离子电池被誉为近三十年以后最伟大的创造发明，但是地球上锂资源的匮乏和奢仪的制造成本，使其在广泛商业化方面将面临前所未有的挑战。反观，钾离子电池其地球丰富度大约是锂的三倍和比较低的制造工艺成本；因此，被认为是有前途的储能体系。近年来，无定形碳基材料因为其制造成本低、技术路线成熟和层间距可控等优点，被认为是一种很有前途的钾离子负极材料。而且，集出色导电率、价格低廉、层间距可控、倍率性能优异于一身的软碳，成为钾离子电池负极最有可能替代的材料。但是体积效应、结构稳定性差成为了软碳被进一步应用的致命短板。反观硬碳结构稳定、体积膨胀率小、主要1V以上高压区提供容量。然而，硬碳的导电性差、倍率性能不佳限制了其发展。所以，越来越多的科学家通过机械混合的方法将具有无序随机取向结构的硬碳与具有有序结构和优良导电性的软碳混合发挥软碳与硬碳的协同作用，来提高钾离子电池负极材料的性能。考虑到这两种无定形碳材料的天然互补优势，最佳策略是将两种碳材料原位精确结合以获得高性能、低成本的钾离子电池负极材料。但是通过简单的机械混合也有很多缺点；例如：1)硬碳与软碳的结合，具有类似核壳结构，使得无定形碳核难以发挥作用；2)分布的随机性使得硬碳和软碳难以实现均匀混合；3)软硬碳结合性差，软碳壳结构稳定性差，难以发挥协同效应；4)难以准确调节K⁺迁移通道等。因此，开发一款新型的软硬碳复合路线迫在眉睫。

发明内容

本申请提供了一种软硬复合碳，所述软硬复合碳为软碳前驱体与硬碳前驱体聚合形成肽键，然后碳化得到的空心颗粒状材料；其中的空心结构能有效缓解电极材料在充放电过程中的体积膨胀效应。

根据本申请的第一方面，提供了一种软硬复合碳，所述软硬复合碳为软碳前驱体与硬碳前驱体聚合形成肽键，然后碳化得到的空心颗粒状材料；

所述硬碳前驱体选自三聚氰胺类似物；

所述软碳前驱体选自酸酐类化合物。

可选地，所述三聚氰胺类似物选自三聚氰胺、氰胺、二氰二胺中的至少一种；

所述酸酐类化合物选自苝四甲酸二酐、邻苯二甲酸酐、3-甲基-4-环己烯-1,2-二甲酸酐、均苯四甲酸二酐中的至少一种。

具体地，本申请中的酸酐类化合物不限于上述列举的酸酐类化合物，水解可以产生-COOH的化合物都可作为软碳前驱体。

可选地，所述软硬复合碳的尺寸为5-30nm。

可选地，所述软硬复合碳尺寸的上限独立地选自30nm、25nm、20nm、15nm、10nm，下限独立地选自5nm、10nm、25nm、20nm、15nm。

根据本申请的第二方面，提供了一种上述软硬复合碳的制备方法，所述制备方法包括：

(1)获得含有硬碳前驱体和水解后的软碳前驱体的混合物A，并调节所述混合物A至酸性，反应，干燥，得到软硬复合碳前驱体；

(2)在非活性气氛下，将所述软硬复合碳前驱体烧结，即可得到所述软硬复合碳。

可选地，使用酸性调节剂调节所述混合物A至酸性。

可选地，所述酸性调节剂选自盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种。

具体地，所述调节混合物A至酸性只需要确保-COONa能够还原成-COOH即可。

可选地，所述水解后的软碳前驱体通过以下方法获得：