[發明專利]一種具有核殼結構的硬碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211717628.4
• 申請日: 2022-12-30
• 公開（公告）號: CN116014102A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王宇作;阮殿波;喬志軍
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M4/62;H01M4/133;H01M10/0525;C01B32/05
• 代理公司: 寧波市鄞州盛飛專利代理事務所(特殊普通合伙) 33243
• 代理人: 洪珊珊

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種具有核殼結構的硬碳材料及其制備方法和應用。該硬碳材料，內核為具有交聯多孔結構的硬碳，外殼為致密碳層，其制備方法包括制備聚丙烯腈溶液和海藻酸鈉溶液，聚丙烯腈溶液和海藻酸鈉溶液混合，高溫處理、快速降溫、預氧化處理和碳化處理，用作鋰離子電池負極活性材料，可以獲得高可逆容量、高倍率性能和高首次庫倫效率。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種具有核殼結構的硬碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

電動汽車的加油式充電，要求其核心電化學儲能部件可以在15分鐘內達到90%SOC（State?of?Charge，荷電狀態）的充入電量，目前應用最廣泛的鋰離子電池難以在不犧牲電化學性能及安全性的前提下滿足上述目標。負極材料被認為是限制鋰離子電池快充能力的關鍵因素之一，非石墨類碳材料具有石墨材料作為鋰離子電池負極的優點，且具有較寬的層間距和較大的無序度，更加有利于鋰離子的脫嵌，采用非石墨類碳材料來替代傳統的石墨負極已成為重要的研發方向。

在非石墨類碳材料中，硬碳雖然具有動力學優良、低溫性能好、析鋰傾向性小（過放120%才會發生析鋰）等優點，但是首次庫倫效率低（?70%）、不可逆容量高等問題，仍限制了其規模化應用。碳包覆是解決硬碳負極首次庫倫效率低的有效方法，可以降低硬碳與電解液的接觸面積，提高其首次庫倫效率。目前，硬碳的碳包覆通常是采用化學氣相沉積技術或利用兩類碳質前驅體的混合、高溫碳化來完成，可實現具有核殼結構硬碳復合材料的構建（一般而言，該核殼結構的內部為高比表面積的多孔硬碳，而外部為低比表面積的致密碳層），卻存在工藝復雜、能耗較大等缺點；并且在包覆過程中容易堵塞內核硬碳的孔道，增加鋰離子的擴散阻力，降低硬碳的可逆容量和倍率性能。

發明內容

本發明的目的是針對以上技術問題，提供一種具有核殼結構的硬碳材料，可以獲得高可逆容量、高倍率性能和高首次庫倫效率。

本發明技術方案中一種具有核殼結構的硬碳材料，內核為具有交聯多孔結構的硬碳，外殼為致密碳層。

本發明中具有核殼結構的硬碳材料，硬碳內核具有交聯的多孔結構，物理結構比較穩定，多孔結構可以提供較多的鋰離子傳輸通道，加快鋰離子傳輸速率，外殼為致密碳層，減小了比表面積，減少了因與電解液的接觸反應而引起的鋰離子消耗，提高了材料的首次庫倫效率。

進一步地，上述硬碳材料的I_D/I_G為0.8~1.3，（002）層間距為0.35~0.38nm，比表面積為10~32m²/g，振實密度為0.82~1.1g/cm³。

本發明還提供上述具有核殼結構的硬碳材料的制備方法，包括制備聚丙烯腈溶液和海藻酸鈉溶液，聚丙烯腈溶液和海藻酸鈉溶液混合，高溫處理、快速降溫、預氧化處理和碳化處理。

進一步地，聚丙烯腈溶于非質子極性溶劑形成聚丙烯腈溶液，固含量為60~?90mg/mL。

進一步地，非質子極性溶劑包括但不限于二甲亞砜、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺中的一種或多種，優選為N,N-二甲基甲酰胺。

進一步地，海藻酸鈉溶于質子極性溶劑形成海藻酸鈉溶液，固含量為20~?30mg/mL。

進一步地，質子極性溶劑包括但不限于去離子水、乙醇、甲酸、乙酸中的一種或多種，優選為去離子水。

進一步地，非質子極性溶劑和質子極性溶劑互相溶解。