无定形碳材料及制备方法与用途技术

本发明专利技术涉及碳材料领域，具体涉及一种无定形碳材料及制备方法与用途。所述无定形碳材料具有如下特征：(1)该无定形碳材料的真密度ρ和通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002符合如下关系式：100×ρ×d002≥70；(2)层间距d002、La和Lc符合如下关系式：Lc×d002≤0.58；和100×(Lc/La2)×d0023≤0.425；(3)基于该无定形碳材料的总质量，该无定形碳材料含有0.001‑2％的硅组分和0.001‑2％的铝组分。本发明专利技术制备的无定形碳材料具有良好的传热性能并能提供较高电池容量。

【技术实现步骤摘要】
无定形碳材料及制备方法与用途
本专利技术涉及碳材料领域，具体涉及一种无定形碳材料及制备方法与用途。
技术介绍
在二次电池，特别是锂离子二次电池领域，石墨材料因其具有电子电导率高、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等特点，成为目前主要的商业化锂离子电池负极材料。二次电池可以多次循环使用，电量放完充满又可以用。随着二次电池技术的发展，对于负极材料的要求不断提高，非晶碳材料逐渐引起关注。非晶碳材料具有层间距较大、与电解液相容性好、锂离子在其中的扩散速率较快、传热能力好等优点，因此在电动车、调频调峰电网和大规模储能领域具有广阔的应用前景。CN105720233A公开了一种锂离子电池负极用碳材料，以及制备锂离子电池负极用碳材料的方法，该方法包括：将煤液化残渣进行聚合；将聚合产物进行稳定化，将稳定化产物进行碳化。CN104681786A公开了一种由煤基材料石墨化内层、中间层及分布于表面的外层组成的煤基负极材料，以及制备该煤基负极材料的方法。所述制备方法包括：将煤基材料经过粉碎处理；再加入粘结剂，或粘结剂和改性剂混合；然后进行压型、高温石墨化。该材料的平均粒径D50为2-40μm，d002为0.335-0.337nm，比表面积为1-30m2/g，固定碳含量≥99.9％，真密度为≥2g/cm3。CN105185997A公开了一种钠离子二次电池负极材料及其制备方法和用途。所述材料为非晶碳材料，以煤炭和硬碳前驱体为原料，加入溶剂后机械混合，干燥，然后在惰性气氛下经交联、固化、裂解制备而成。所述材料的平均粒径为1-50μm，d002为0.35-0.42nm，Lc为1-4nm，La为3-5nm。以上专利文献公开了多种碳材料及其制备方法，这些制备方法操作步骤繁多，所制备的碳材料主要是用于提高电池容量，没有考虑如何提高传热能力，而传热能力会影响电池的安全性和使用寿命。
技术实现思路
针对有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种新的无定形碳材料及其制备方法与用途。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种无定形碳材料，所述材料具有如下特征：(1)该无定形碳材料的真密度ρ和通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002符合如下关系式：100×ρ×d002≥70式(I)；(2)该无定形碳材料通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002、La和Lc符合如下关系式：Lc×d002≤0.58式(II)，和100×(Lc/La2)×d0023≤0.425式(III)；(3)基于该无定形碳材料的总质量，该无定形碳材料含有以元素的重量计0.001-2％的硅组分和0.001-2％的铝组分。其中，ρ的单位是g/cm3，d002、Lc和La的单位均为nm。第二方面，本专利技术提供一种制备所述无定形碳材料的方法，该方法包括：(1)提供碳元素含量>70％的含碳材料粉末作为碳源；(2)提供硅铝源，所述硅铝源为含硅物质和含铝物质的组合，或者为同时含硅和铝的物质；(3)将所述含碳材料粉末和硅铝源与含有表面活性剂的水溶液混合，然后进行相分离，并干燥所得固体，得到干燥粉末；(4)在真空或惰性气氛下对所述干燥粉末进行碳化。第三方面，本专利技术提供一种采用上述方法制备的无定形碳材料。第四方面，本专利技术提供一种前述的无定形碳材料作为机械部件材料、电池电极材料或导热材料的用途。本专利技术所述的无定形碳材料具有较高的热扩散系数，具有良好的传热性能，且作为电池的负极材料使得电池具有高的容量，扩展了其应用领域；另外，与现有技术相比，本专利技术的方法还具备操作简单的特点。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。第一方面，本专利技术提供一种无定形碳材料，所述材料具有如下特征：(1)该无定形碳材料的真密度ρ和通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002符合如下关系式：100×ρ×d002≥70式(I)；(2)该无定形碳材料通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002、La和Lc符合如下关系式：Lc×d002≤0.58式(II)；和100×(Lc/La2)×d0023≤0.425式(III)；(3)基于该无定形碳材料的总质量，该无定形碳材料含有以元素的重量计0.001-2％的硅组分和0.001-2％的铝组分。其中，ρ的单位是g/cm3，d002、Lc和La的单位均为nm。在本专利技术中，硅、铝组分的含量均通过等离子发射光谱(ICP)测得。优选地，70≤100×ρ×d002≤120，进一步优选70≤100×ρ×d002≤100，更优选70≤100×ρ×d002≤90。优选地，0.1≤Lc×d002≤0.58，进一步优选0.3≤Lc×d002≤0.58，更优选0.45≤Lc×d002≤0.58。优选地，0.1≤100×(Lc/La2)×d0023≤0.425，进一步优选0.2≤100×(Lc/La2)×d0023≤0.425，更优选0.25≤100×(Lc/La2)×d0023≤0.425，最优选0.28≤100×(Lc/La2)×d0023≤0.425。根据本专利技术，所述无定形碳材料通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002值在0.34-0.4nm范围内，优选在0.35-0.395nm范围内，更优选在0.355-0.39nm范围内。根据本专利技术，所述无定形碳材料通过拉曼分析获得的La值在3-6nm范围，优选在4-5nm范围内，进一步优选在4.1-4.75nm范围内，更优选在4.2-4.7nm范围内。根据本专利技术，所述无定形碳材料通过粉末XRD谱分析获得的Lc值在1-1.9nm范围内，优选在1.1-1.8nm范围内，进一步优选在1.1-1.6nm范围内，更优选在1.2-1.55nm范围内。根据本专利技术，所述无定形碳材料的热扩散系数≥0.09mm2·s-1，优选热扩散系数≥0.095mm2·s-1，进一步优选热扩散系数≥0.1mm2·s-1，更优选热扩散系数≥0.13mm2·s-1。根据本专利技术，所述无定形碳材料可以是粒径D50为2-50μm，优选3-40μm，更优选5-30μm的粉末形式。按照一种实施方式，所述无定形碳材料的真密度ρ为1.0-2.5g/cm3，优选为1.3-2.5g/cm3，更优选为1.8-2.3g/cm3。第二方面，本专利技术提供一种制备无定形碳材料的方法，该方法包括：(1)提供碳元素含量>70％的含碳材料粉末作为碳源；(2)提供硅铝源，所述硅铝源为含硅物质和含铝物质的组合，或者为同时含硅和铝的物质；(3)将所述含碳材料粉末和硅铝源与含有表面活性剂的水溶液混合，然后进行相分离，干燥所得固体，得到干燥粉末；和(4)在真空或惰性气氛下对所述干燥粉末进行碳化。本专利技术中，碳元素的含量是指质量百分含量，通过等离子发射光谱(ICP)测得。所述含碳材料粉末中，碳元素含量例如可以为75-100％，优选为80-100％。步骤(1)中，所述碳元素含量>70％的含碳材料粉末可以选自沥青、煤和焦炭中的至少一种。其中，所述煤沥青的软化点可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无定形碳材料，其特征在于，(1)该无定形碳材料的真密度ρ和通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002符合如下关系式：100×ρ×d002≥70  式(I)；(2)该无定形碳材料通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002、La和Lc符合如下关系式：Lc×d002≤0.58  式(II)，和100×(Lc/La2)×d0023≤0.425  式(III)；(3)基于该无定形碳材料的总质量，该无定形碳材料含有以元素的重量计0.001‑2％的硅组分和0.001‑2％的铝组分；其中，ρ的单位是g/cm3，d002、Lc和La的单位均为nm。

【技术特征摘要】
1.一种无定形碳材料，其特征在于，(1)该无定形碳材料的真密度ρ和通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002符合如下关系式：100×ρ×d002≥70式(I)；(2)该无定形碳材料通过粉末XRD谱分析获得的层间距d002、La和Lc符合如下关系式：Lc×d002≤0.58式(II)，和100×(Lc/La2)×d0023≤0.425式(III)；(3)基于该无定形碳材料的总质量，该无定形碳材料含有以元素的重量计0.001-2％的硅组分和0.001-2％的铝组分；其中，ρ的单位是g/cm3，d002、Lc和La的单位均为nm。2.根据权利要求1所述的无定形碳材料，其中，100×ρ×d002≤120，优选100×ρ×d002≤100，更优选100×ρ×d002≤90。3.根据权利要求1或2所述的无定形碳材料，其中，Lc×d002≥0.1，优选Lc×d002≥0.3，更优选Lc×d002≥0.45。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的无定形碳材料，其中，100×(Lc/La2)×d0023≥0.1，优选100×(Lc/La2)×d0023≥0.2，进一步优选100×(Lc/La2)×d0023≥0.25，更优选100×(Lc/La2)×d0023≥0.28。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的无定形碳材料，其中，所述无定形碳材料的热扩散系数≥0.09mm2·s-1，优选热扩散系数≥0.1mm2·s-1，更优选热扩散系数≥0.12mm2·s-1。6.根据权利要求1所述的无定形碳材料，其中，所述无定形碳材料是粒径D50为2-50μm，优选3-40μm，更优选5-30μm的粉末形式。7.一种制备权利要求1-6中任意一项所述无定形碳材料方法，其特征在于，该方法包括：(1)提供碳元素含量>70％的含碳材料粉末作为碳源；(2)提供硅铝源，其中所述硅铝源为含硅物质和含铝物质的组合，或者为同时含硅和铝的物质；(3)将所述含碳材料粉末和硅铝源与含有表面活性剂的水溶液混合，然后进行相分离，干燥所得固体，得到干燥粉末；和(4)在真空或惰性气氛下对所述干燥粉末进行碳化。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述含碳材料粉末的平均粒径D50为1-100μm，优选为2-100μm；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘广宏，梁文斌，唐堃，田亚峻，康丹苗，段春婷，张开周，康利斌，王璐璘，卫昶，
申请(专利权)人：国家能源投资集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11