[發明專利]具有石墨化特性的無定型碳材料及其制造方法

有效

• 申請號: 201210246611.5
• 申請日: 2012-07-17
• 公開（公告）號: CN102751500A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 吳曉東
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務所(普通合伙) 11264
• 代理人: 王鋒;孫東風

技術領域

本發明特別涉及一種屬于具有石墨化特性的無定型碳材料及其制造方法。

背景技術

用于商品的鋰離子電池的負極材料，目前通常使用的是具有石墨化特征的人造石墨或者改性的天然石墨，石墨類的負極材料具有較高的嵌鋰容量。但是，石墨類的材料由于其層狀結構，在鋰離子脫嵌的過程中比較容易發生層結構的剝離，造成結構不穩定，電池壽命等受到影響；同時由于存在溶劑共嵌入導致石墨層剝離的情況，石墨類的負極也限制了包括丙烯碳酸酯類具有高介電常數的溶劑的使用。此外，由于石墨類材料的嵌鋰電位比較接近于金屬鋰的電化學沉積電位，當鋰離子電池被大電流充電時，或者在低溫情況下充電時，經常容易形成鋰表面沉積，破壞電池性能，甚至會產生鋰枝晶進一步產生安全隱患。而后人們開始使用具有非石墨層狀結構的無定型碳材料，包括低溫碳化的硬碳和軟碳，然則，當這些材料展現出較好的結構穩定性時，其可用的嵌鋰容量通常又會比較低。

發明內容

本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，提供一種結構穩定，充電性能優良，并具有較高可用嵌鋰容量的具有石墨化特性的無定型碳材料及其制造方法。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

一種具有石墨化特性的無定型碳材料，它包括無定型碳基體，所述無定型碳基體內分布有石墨化的微晶區域。特別是，該具有石墨化特性的無定型碳材料用XRD方法測得具有d002峰；同時，當利用透射電鏡對無定型碳進行觀察時，可以看到無定型碳中間存在微區晶格條紋，為石墨化微區。

進一步的，所述具有石墨化特性的無定型碳材料內還含有過渡金屬元素，所述過渡金屬元素包括鐵、鈷、鎳、銅、鈧、鈦、釩、鉻、錳、釔、鋯、鈮、鉬、锝、釕、銠、鈀、鎢、鉭、錸、鋨、銥中的任意一種或兩種以上的組合。

所述具有石墨化特性的無定型碳材料中過渡金屬元素的含量為0.1ppm-20wt%。

所述石墨化的微晶區域的尺寸為1nm-1μm。

優選的，所述具有石墨化特性的無定型碳材料的粒徑為0.5-100μm。

如上所述具有石墨化特性的無定型碳材料的制造方法，其特征在于，該方法為：取含碳前驅體及過渡金屬和/或含有過渡金屬元素的化合物的超細粉末在水和/或有機溶劑中均勻混合形成均相分散體系，再于溫度為150-300℃的環境中放置至干燥，而后以700-2000℃的高溫條件燒制1h以上，其后冷卻至室溫，獲得目標產物。

作為優選的方案之一，該方法中是將所述均相分散體系以0.2-2℃/分鐘的升溫速度升溫至150-300℃，而后保溫至脫除該均相分散體系中的水和/或有機溶劑。

作為優選的方案之一，該方法中是將均相分散體系經干燥處理后所獲干燥后產物于保護性氣氛或真空環境中以700-2000℃的高溫燒制1h以上，再降溫至室溫后取出，繼而獲得目標產物的；

作為優選的方案之一，該方法中是將均相分散體系經干燥處理后所獲干燥后產物以10-300℃/h的速度升溫至700-2000℃，恒溫1h以上，再以1-3000℃/h的降溫速率降溫至室溫后取出，繼而獲得目標產物的。

所述含碳前驅體包括硬碳材料前驅體和/或軟碳材料前驅體，所述硬碳材料前驅體至少選自葡萄糖、蔗糖、果糖、纖維素、淀粉、酚醛樹脂、聚丙烯晴和環氧樹脂中的任意一種，所述軟碳材料前驅體至少選自石油、煤、瀝青和聚氯乙烯中的任意一種，但均不限于此。

所述有機溶劑包括乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺中的任意一種或兩種以上的組合，但不限于此。

作為一優選的實施方案，所述具有石墨化特性的無定型碳材料的制造方法包括以下步驟：

（1）配置均相分散體系：將含碳前驅體與過渡金屬、過渡金屬氧化物和過渡金屬鹽中的任意一種或兩種以上的組合的超細粉末分散于水/或有機溶劑中，形成濃度為0.5-99wt%的均相分散體系；

（2）低溫脫水和/或有機溶劑：將上述均相分散體系以0.2-2℃/分鐘的升溫速度升溫至150-300℃，而后保溫5h以上，并伴以攪拌，直至脫除該均相分散體系中的水和/或有機溶劑，形成干燥后產物；

（3）高溫碳化：

將上述干燥后產物置于保護性氣氛或真空環境中以700-2000℃的高溫燒制1h～48h，再降溫至室溫后取出，獲得目標產物；

或者，將上述干燥后產物以10-300℃/h的速度升溫至700-2000℃，恒溫1h～48h，其后以1-3000℃/h的降溫速率降溫至室溫后取出，獲得目標產物。

進一步的，所述具有石墨化特性的無定型碳材料的制造方法還包括如下步驟：