[发明专利]一种硬碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种硬碳材料及其制备方法。本发明提供了一种硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：将碳源依次进行低温碳化和颗粒整形，得到前驱体材料；将所述前驱体材料依次进行扩孔、喷雾造粒和高温碳化，得到所述硬碳材料；所述低温碳化的温度低于所述高温碳化的温度。利用所述制备方法制备得到的硬碳材料具有高比容量和高首次库伦效率。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种硬碳材料及其制备方法。

背景技术

二次电池(Rechargeable battery)又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。目前市场上主要的二次电池有锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、镍氢电池、镍镉电池、铅酸(或铅蓄)电池和可充碱性电池等。负极材料是二次电池在充电过程中离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。负极材料是二次电池的重要组成部分。

负极材料可分为炭材料和非炭材料两大类。炭材料包括石墨、硬碳、软碳和中间相炭微球等，非炭材料包括硅基材料、钛酸锂和锡基材料等。目前市场中应用最广、产销量最大的负极材料是石墨，但石墨负极的理论比容量较低，仅为372mA·h/g，而且大倍率持续充放电能力和低温性能难以有效提高，因此，开发一种新型的比容量高、倍率性能优秀且低温性能良好的锂离子电池负极材料，是当前研究的重要方向。

硬碳是指难以石墨化的碳材料，是由高分子聚合物热分解形成。硬碳具有相互交错的层状结构，且碳层间距大，锂离子可以从不同角度嵌入和脱出，从而提高了锂离子的扩散速度，可以实现材料的快速充放电。加上大量微孔的存在，硬碳材料拥有更多的嵌锂空间，可逆比容量一般为300～700mA·h/g，甚至能超过1000mA·h/g，远大于石墨的理论容量372mA·h/g。硬碳材料的结构稳定且在充放电过程中的体积膨胀非常小，使其拥有优秀的长循环性能。硬碳的嵌锂电位能够高于0.2V，安全性能好。硬碳材料具有以上优秀的综合性能，与未来纯动力电池/储能电池的长循环性能要求、48V启停电池/PHEV功率电池/消费电池/超级电容器的高能量密度高功率要求相匹配。同时硬碳的炭层间距大，被认为是目前钠离子电池应用中综合性能最优的负极材料。

硬碳材料的结构优势也带来了相应的不利之处，在其制备过程内部结构会产生大量的晶格缺陷，这导致了在嵌锂过程中，锂离子不仅嵌入碳原子层间，而且会嵌入到这些晶格缺陷中，虽硬碳负极的比容量能明显提高，但这些晶格缺陷也导致了硬碳负极材料的首次库伦效率低的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬碳材料及其制备方法，所述制备方法制备得到的硬碳材料具有高比容量和高首次库伦效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种硬碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将碳源依次进行低温碳化和颗粒整形，得到前驱体材料；

将所述前驱体材料依次进行扩孔、喷雾造粒和高温碳化，得到所述硬碳材料；

所述低温碳化的温度低于所述高温碳化的温度。

优选的，所述碳源包括生物质材料、树脂类材料、碳素制品和糖类物质中的一种或几种。

优选的，所述生物质材料包括稻壳、花生壳、开心果壳、杏壳、核桃壳、松果、大米、椰壳、竹子、玉米棒、油菜秸秆和甘蔗渣中的一种或几种；

所述树脂类材料包括含聚氯乙烯树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和聚酰胺树脂中的一种或几种；

所述碳素制品包括石油焦、沥青焦和煤系焦中的一种或几种；

所述糖类物质包括果糖、甘露糖、蔗糖、葡萄糖、半乳糖、氨基糖、核糖、淀粉、纤维素、多聚糖、果胶、戊糖、甘露糖、壳多糖、麦芽糖、糖元和菊糖中的一种或几种。