[發明專利]硬炭材料及其制備方法和應用、鋰離子電池

有效

• 申請號: 202011643725.4
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112758911B
• 公開（公告）日: 2023-02-10
• 發明（設計）人: 潘福森;沈龍;張秀云;曾繁俊;范拯華;王曉陽;陳兵帥
• 申請（專利權）人: 寧波杉杉新材料科技有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/133;H01M4/583;H01M10/0525;H01G11/32
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 王衛彬;鄒玲

本發明公開了硬炭材料及其制備方法和應用、鋰離子電池。該制備方法包括如下步驟：(1)將前驅體A的原料混合，加熱，得到液態漿料；再將液態漿料進行噴霧干燥，得到前驅體A；(2)將前驅體A進行固化處理，得到前驅體B；其中，固化處理依次包括；第一級熱處理，溫度為150～350℃；第二級熱處理，溫度為360～420℃；第三級熱處理，溫度為450～650℃；(3)將前驅體B進行炭化處理。本發明中的硬炭材料品質穩定，孔道結構合理，電阻率較低，便于鋰離子的嵌入和脫出，用作鋰離子電池負極材料時，可逆容量高，大電流性能較好，循環性能優異，首次放電效率高；且制備方法簡單，工藝流程連貫，可用于工業化生產。

技術領域

本發明涉及硬炭材料及其制備方法和應用、鋰離子電池。

背景技術

隨著電子電力技術的發展，二次電池因難以克服自身劣勢，無法滿足日益嚴苛的要求。因此，能量密度高、環境適應性強、循壞壽命高的鋰離子電池逐漸成為廣泛應用的電化學電源，并在微電子領域、可穿戴設備、移動終端、電力儲能、交通運輸等領域持續發展。

傳統的鋰離子電池采用石墨負極材料，但是由于石墨的晶格結構導致鋰離子快速嵌入的能力較弱，因此負極材料為石墨的鋰離子電池快速充電能力較差。而硬炭材料既具有類石墨晶體的微小晶疇，又存在缺陷石墨層的亂序堆積和孔道結構，使得溶劑化的鋰離子能夠快速擴散至硬炭材料中的石墨微晶表面，極大的減少了鋰離子的擴散阻力和遷移距離，有利于鋰離子快速嵌入石墨微晶和吸附于微小缺陷石墨層的亂序堆積孔道內。由此可見，相比于石墨，硬炭材料更適用作為鋰離子電池負極材料，提高快速充電能力，并可在低溫條件下使用，同時還能夠滿足鋰離子電容器的復合離子吸附。

專利CN1947286A中采用交聯反應法制備多孔性瀝青，然后經空氣氧化制得難石墨化的硬炭材料；但是其制備方法中步驟復雜，工藝路線冗長，成本高，不適于工業化生產。專利CN10301127A中公開了以軟化點為200~280℃瀝青為原料，粉碎后將其加入管式爐中在空氣氣氛下升溫固化，固化后的瀝青粉末加入炭化爐中升溫至700-1300℃炭化處理，得到瀝青硬炭材料；雖然該制備方法工藝簡單，但是批次制備樣品較少，同時，制備過程中需要控制的因素較多，不利于穩定化生產。

因此，亟需提供一種電化學性能較佳，工藝簡單且能夠穩定化生產的硬炭材料及其制備方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術中硬炭材料電化學性能不佳，且工藝流程長、技術路線復雜，批次不穩定的缺陷，而提供的硬炭材料及其制備方法和應用、鋰離子電池。本發明中的硬炭材料品質穩定，孔道結構合理，電阻率較低，便于鋰離子的嵌入和脫出，用作鋰離子電池負極材料時，可逆容量高，大電流性能較好，循環性能優異，首次放電效率高；且制備方法簡單，工藝流程連貫，可用于工業化生產。

為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供的技術方案之一為：一種硬炭材料的制備方法，其包括如下步驟：

（1）將前驅體A的原料混合，加熱，得到液態漿料；再將所述液態漿料進行噴霧干燥，得到前驅體A；

其中，所述前驅體A的原料包括碳源、有機溶劑和交聯劑；所述噴霧干燥的溫度為80~150℃；

（2）將所述前驅體A進行固化處理，得到前驅體B；

其中，所述固化處理依次包括：第一級熱處理，溫度為150~350℃；第二級熱處理，溫度為360~420℃；第三級熱處理，溫度為450~650℃；

（3）將所述前驅體B進行炭化處理。

步驟（1）中，所述碳源的殘炭值為30%以上。

所述碳源可為瀝青、焦油、石油樹脂、酚醛樹脂和環氧樹脂中的一種或多種；優選為瀝青。

所述瀝青的軟化點可為200~300℃。