[发明专利]一种多孔碳材料及其制备方法、负极极片、锂离子电池

说明书

本申请涉及一种多孔碳材料，其内部具有孔，通过在多孔碳材料的孔内引入具有更低形核过电位的亲锂性物质，使得在充电过程中能够诱导锂以和亲锂性物质形成合金的形式在孔内析出，因而使多孔碳材料内部的孔成为储锂空间，使得低CB值体系中原本会在极片表面析出的锂金属能够在孔内以锂合金形式析出，从而提高了多孔碳材料的储锂空间。此外，通过在多孔碳材料表面形成包覆层，能够阻挡电解液进入多孔碳材料内部，避免电解液与析出的锂合金接触反应而发生的损耗。同时，通过合理设计亲锂性物质的质量与孔的体积之比，能够使诱导析出的锂合金尽可能地完全填充容纳有亲锂性物质的孔，充分利用孔容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种多孔碳材料及其制备方法、负极极片、锂离子电池、电池模块、电池包和用电装置。

背景技术

锂离子电池负极材料主要包括人工石墨、硬碳材料等。人工石墨是目前锂离子电池中应用最为成熟的负极材料，但能量密度已经接近理论极限。随着新能源技术的迭代升级，解决里程焦虑的迫切，对高能量密度电芯(400Wh/kg)的设计需求日益增加。相对于石墨，硬碳材料由于具有较大的插层结构以及较多的缺陷，因此具有较高克容量，成为负极材料新的研究热点。然而，硬碳材料的储锂空间不足。研究人员迫切需要开发具有高的储锂空间的硬碳材料。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本申请提供一种多孔碳材料，其具有高的储锂空间。

本申请第一方面提供的多孔碳材料，其内部具有孔。孔内包括亲锂性物质。亲锂性物质的质量与孔的体积之比为3:1-32:1。多孔碳材料的表面设有包覆层。

本申请实施例的技术方案中，通过在多孔碳材料的孔内引入具有更低形核过电位的亲锂性物质，使得在充电过程中能够诱导锂以和亲锂性物质形成合金的形式在孔内析出，因而使多孔碳材料内部的孔成为储锂空间，使得低CB值体系中原本会在极片表面析出的锂金属能够在孔内以锂合金形式析出，从而提高了多孔碳材料的储锂空间。而现有技术中多孔碳材料的孔内不含亲锂性物质，因而不能成为储锂空间。此外，通过在多孔碳材料表面形成包覆层，能够阻挡电解液进入多孔碳材料内部，避免电解液与析出的锂合金接触反应而发生的损耗。同时，通过合理设计亲锂性物质的质量与孔的体积之比，能够使诱导析出的锂合金尽可能地完全填充容纳有亲锂性物质的孔，充分利用孔容量。

此外，由于亲锂性物质填充在多孔碳材料的孔内，因此多孔碳材料还具有高的压实密度。因此，使用本申请的多孔碳材料还能提高电池体积能量密度。

在一些实施例中，根据第一方面，提出第一方面的第一种示例，亲锂性物质的质量与孔的体积之比为10:1-20:1。

该设计中，通过进一步优化亲锂性物质的质量与孔的体积之比，可以使诱导析出的锂合金尽可能地完全填充容纳有亲锂性物质的孔，从而提高多孔碳材料的储锂空间。若孔内亲锂性物质太高，则少量锂金属以合金化形式与亲锂性物质结合，大部分的锂仍旧以锂金属的形式析出在极片表面；若孔内亲锂性物质含量太低，锂金属无法在多孔碳材料的孔内析出，即孔内空间成为死空间，锂仍旧会以锂金属的形式析出在极片表面。

在一些实施例中，根据第一方面，提出第一方面的第二种示例，亲锂性物质为金属Zn、Ag、Au、Ga、In、Sn及其氧化物中的一种或多种。

该设计中，这些亲锂性物质具有更低的形核过电位，因此，在充电过程中能够诱导锂金属以锂合金形式在孔内析出，避免锂金属单质在极片表面析出或在多孔碳材料的包覆层表面析出，从而避免锂金属单质与电解液接触并发生不可逆反应而被消耗，造成容量降低、甚至造成电芯失效。

在一些实施例中，根据第一方面，提出第一方面的第三种示例，包覆层的厚度为50-350nm。

该设计中，通过优化包覆层的厚度，可以更有效地阻挡电解液进入多孔碳材料内部，避免电解液与析出的锂合金接触反应。