蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料及其制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术公开了蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料及其制备方法和锂离子电池，该方法通过先制得咖啡粉，接着于惰性气体中进行低温炭化处理制得前驱体，再与溶剂和有机碳源进行有机碳源包覆处理制得材料颗粒，最后将材料颗粒进行高温碳化处理制得蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料。该方法工艺简单，合成途径简单可控易于对材料的形貌和尺寸进行微观调控，制得的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料可逆容量高、倍率循环性能好、低温性能好。

Honeycomb porous hard carbon lithium ion battery negative electrode material, preparation method thereof and lithium ion battery

The invention discloses a honeycomb porous hard carbon anode materials for lithium ion batteries and a preparation method thereof and lithium ion battery, the first to prepare coffee powder, followed by low temperature carbonized precursor in an inert gas, then the organic carbon source coating processed material particles and solvent and organic carbon source. The material particles are prepared as anode materials for high temperature carbonization of honeycomb porous hard carbon lithium ion battery. This method is simple and easy to synthesis is simple and controllable morphology and size of materials for micro regulation, prepared porous carbon cathode material of lithium ion battery, high reversible capacity and good cycle performance, rate of good low temperature performance.

【技术实现步骤摘要】
蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料及其制备方法和锂离子电池
本专利技术涉及新型能源材料，具体涉及蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料及其制备方法和锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池作为一种新型的高能电池，在移动通讯设备、便携式计算机、摄像机、照相机、MP3等小型设备中得到大量应用，也成为太阳能、风能等发电系统的储备电源、无绳电动工具电源以及混合电动汽车(HEV)、纯电动汽车(EV)电源。尤其是随着电动汽车和太阳能/风能储能对锂离子电池需求的快速发展，对锂离子电池的安全性、循环性能、倍率性能和高低温性能提出了很高要求。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能的好坏直接影响锂电池的性能。目前石墨作为使用最为广泛的碳基锂离子电池负极材料，其实际比容量发挥较低，且循环稳定性、安全性、倍率性能难以有效提高，因而寻找合适的新的碳基材料来代替当前商品化的负极材料并提高电池综合性能，是当前研究的热点。其中，硬碳类负极材料由于具有高比能量、高安全性、大电流快速充放电、长的使用寿命，因此得到全球的重点关注。根据文献报导的方法虽然能够合成硬碳类负极材料，但是其方法都具有合成步骤多、操作繁琐的缺陷，且制得的硬碳类负极材料的可逆容量较低、倍率循环性能较差，此外低温性能很差。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供工艺简单、操作方便可控的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料的制备方法。本专利技术的目的之二是提供由上述方法制备而成的可逆容量高、倍率循环性能好、低温性能好的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料。本专利技术的目的之三是提供电池负极包括上述蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料的锂离子电池。本专利技术提供的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料的制备方法包括：(1)将咖啡豆粉碎制得咖啡粉；(2)将所述咖啡粉于惰性气体中进行煅烧、冷却、粉碎以制得前驱体；(3)将所述前驱体、溶剂和有机碳源进行搅拌、干燥处理以制得材料颗粒；(4)将所述材料颗粒于惰性气体中进行煅烧、冷却、粉碎、振实以制得蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料；其中，相对于100重量份的所述前驱体，所述有机碳源的用量为1-20重量份；在步骤(2)中，所述煅烧的步骤为：自15-35℃以1-3℃/min的升温速率升温至250-600℃，煅烧2-10h；在步骤(4)中，所述煅烧的步骤为：自18-25℃以2-10℃/min的升温速率升温至650-1400℃，煅烧3-20h；所述材料颗粒的质量含水量为0-1％。在上述制备方法的步骤(1)中，咖啡粉的具体大小可以在宽的范围内选择，但是为了使得制得的咖啡粉表面多孔，具有更大的比表面积，优选地，咖啡粉的粒径小于100目。在上述制备方法中，惰性气体的具体种类可以在宽的范围内选择，为了更好地保护材料颗粒不被氧化变质，优选地，惰性气体为氦气、氩气和氮气的一种或多种。在上述制备方法中，冷却的方式可以在宽的范围内选择，从冷却效果和节能角度考虑，优选地，冷却采用自然冷却的方式进行，且冷却至煅烧产物的温度为15-35℃。在上述制备方法的步骤(3)中，搅拌的转速为50-1000rpm，时间为0.5-10h。在上述制备方法的步骤(3)中，溶剂的具体种类可以在宽的范围内选择，但是为了使制得的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料具有更优异的比容量，优选地，溶剂为水、乙醇、甲醇、丙酮、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、正丁醇、乙醚、石油醚、二氯甲烷和氯仿中的一种或多种；更优选地，所述溶剂为水、二氯甲烷、乙醇和水的混合溶剂和乙醇和丙酮的混合溶剂中的一种或多种。在上述制备方法的步骤(3)中，有机碳源的具体种类可以在宽的范围内选择，为提高所制得材料颗粒的比表面积，提高其电化学性能，优选地，有机碳源为沥青、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、丙烯酸树脂、乙基甲基碳酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯、聚对苯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇、聚乙二醇亚胺、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯、聚噻吩、聚间苯二胺、聚对苯撑乙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚乙烯基吡咯烷酮、丁苯橡胶和羧甲基纤维素中的一种或多种；更优选地，所述有机碳源为聚乙烯醇、沥青、甲基纤维素和酚醛树脂中的一种或多种。在上述制备方法的步骤(3)中，添料顺序可以在宽的范围内选择，为了保证前驱体均匀分散在溶剂中，优选地，添料顺序为：先将所述前驱体分散在溶剂中，再加入有机碳源进行搅拌、干燥以制得材料颗粒。本专利技术提供的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料是通过上述的方法制备而成。本专利技术提供的锂离子电池其电池的负极包括上述蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料。通过上述技术方案，本专利技术通过先制得咖啡粉，接着于惰性气体中进行低温炭化处理制得前驱体，再与溶剂和有机碳源进行有机碳源包覆处理制得材料颗粒，最后将材料颗粒进行高温碳化处理制得蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料。该方法反应条件温和，工艺简单，操作方便，生产成本低廉，合成途径简单可控易于对材料的形貌和尺寸进行围观调控，适合大规模生产，制得的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料可逆容量高、倍率循环性能好、低温性能好。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是检测例1中的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料A1的X-射线粉末衍射(XRD)图；图2是检测例2中的蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料A1的扫描电子显微镜(SEM)图；图3是应用例1中的蜂窝状多孔硬碳负极材料A1与市售人造石墨在0.001-2.0V电压区间、0.1C倍率下的充放电曲线图；图4是应用例1中的蜂窝状多孔硬碳负极材料A1与市售人造石墨的倍率放电曲线图；图5是应用例1中的蜂窝状多孔硬碳负极材料A1与市售人造石墨样品在-20℃温度下的充放电曲线图。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。实施例1(1)将咖啡豆粉碎制得粒径小于100目的咖啡粉；(2)将所述咖啡粉于氦气中自20℃以2℃/min的升温速率升温至400℃，低温碳化处理6h，接着自然冷却至煅烧产物的温度为20℃，然后粉碎以制得前驱体；(3)将100重量份的所述前驱体分散在水中，再加入5重量份的聚乙烯醇，以500rpm的转速搅拌分散6h制得料浆、接着干燥处理以制得材料颗粒；(4)将所述材料颗粒于氦气中自20℃以5℃/min的升温速率升温至900℃，高温碳化处理10h，接着自然冷却至煅烧产物的温度为20℃，然后粉碎、振实以制得蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料A1。实施例2(1)将咖啡豆粉碎制得粒径小于100目的咖啡粉；(2)将所述咖啡粉于氩气中自25℃以2℃/min的升温速率升温至250℃，低温碳化处理10h，接着自然冷却至煅烧产物的温度为25℃，然后粉碎以制得前驱体；(3)将100重量份的所述前驱体分散在二氯甲烷中，再加入20重量份的沥青，以1000rpm的转速搅拌0.5h制得料浆、接着干燥处理以制得材料颗粒；(4)将所述材料颗粒于氮气中自25℃以2℃/min的升温速率升温至650℃，高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)将咖啡豆粉碎制得咖啡粉；(2)将所述咖啡粉于惰性气体中进行煅烧、冷却、粉碎以制得前驱体；(3)将所述前驱体、溶剂和有机碳源进行搅拌、干燥处理以制得材料颗粒；(4)将所述材料颗粒于惰性气体中进行煅烧、冷却、粉碎、振实以制得蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料；其中，相对于100重量份的所述前驱体，所述有机碳源的用量为1‑20重量份；在步骤(2)中，所述煅烧的步骤为：自15‑35℃以1‑3℃/min的升温速率升温至250‑600℃，煅烧2‑10h；在步骤(4)中，所述煅烧的步骤为：自18‑25℃以2‑10℃/min的升温速率升温至650‑1400℃，煅烧3‑20h；所述材料颗粒的质量含水量为0‑1％。

【技术特征摘要】
1.一种蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)将咖啡豆粉碎制得咖啡粉；(2)将所述咖啡粉于惰性气体中进行煅烧、冷却、粉碎以制得前驱体；(3)将所述前驱体、溶剂和有机碳源进行搅拌、干燥处理以制得材料颗粒；(4)将所述材料颗粒于惰性气体中进行煅烧、冷却、粉碎、振实以制得蜂窝状多孔硬碳锂离子电池负极材料；其中，相对于100重量份的所述前驱体，所述有机碳源的用量为1-20重量份；在步骤(2)中，所述煅烧的步骤为：自15-35℃以1-3℃/min的升温速率升温至250-600℃，煅烧2-10h；在步骤(4)中，所述煅烧的步骤为：自18-25℃以2-10℃/min的升温速率升温至650-1400℃，煅烧3-20h；所述材料颗粒的质量含水量为0-1％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(1)中，所述咖啡粉的粒径小于100目。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述惰性气体为氦气、氩气和氮气的一种或多种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述冷却采用自然冷却的方式进行，且冷却至煅烧产物的温度为15-35℃。5.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，所述搅拌的转速为50-1000rpm，时间为0.5-10h。6.根据权利要求1或5所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯春平，贺超，孙永林，
申请(专利权)人：安徽安达新能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34