碳负极材料及其制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池和用电设备技术

本申请提供一种碳负极材料及其制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池和用电设备。所述碳负极材料包括碳基体和碱金属元素，所述碳负极材料的碳层间分布有所述碱金属元素，所述碱金属元素包括钠元素和/或钾元素，所述碳负极材料的碳层间距为0.35nm

【技术实现步骤摘要】
碳负极材料及其制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池和用电设备


[0001]本申请涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种碳负极材料及其制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池和用电设备。

技术介绍

[0002]一般而言，提升碳负极材料的能量密度主要途径为提升碳的比容量，主要方法有：掺杂改性、通过碱活化改性、筛选特定碳源、氧化法改性等。
[0003]但是，碳负极材料通过杂原子掺杂改性，虽然可以提升容量，但往往导致其使用电压减小、功率和循环性能衰减、内阻上升；通过碱活化提升碳负极材料容量性能，会导致碳负极材料的比表面积上升，生成SEI膜产生的不可逆容量增加，导致首次效率下降，增加了使用成本；此外，活化产生的微孔容易使碳负极材料在循环过程中产生死锂，导致循环性能下降；氧化法提升碳负极材料的容量，但是对制备条件要求比较苛刻，且不适合规模生产。此外，上述方法还往往导致碳负极材料的膨胀率升高。
[0004]当前，开发兼具高容量、高倍率、低膨胀的新型碳负极材料面临技术瓶颈。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种碳负极材料及其制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池和用电设备，以解决上述问题。
[0006]为实现以上目的，本申请特采用以下技术方案：
[0007]一种碳负极材料，所述碳负极材料包括碳基体和碱金属元素，所述碳负极材料的碳层间分布有所述碱金属元素，所述碱金属元素包括钠元素和/或钾元素，所述碳负极材料的碳层间距为0.35nm
‑
0.43nm。
[0008]在一个可选地实施方式中，所述碳基体中掺杂有杂元素；
[0009]在一个可选地实施方式中，所述杂元素包括S和/或P；
[0010]在一个可选地实施方式中，所述杂元素占所述碳负极材料总质量的比例不大于4％；
[0011]在一个可选地实施方式中，所述碱金属元素的质量占所述碳负极材料总质量的比例不大于3％；
[0012]及/或，所述碱金属元素在所述碳层间以ACx形式存在，其中，A为Na和/或K，x>8；
[0013]在一个可选地实施方式中，所述碳负极材料的比表面积为0.5m2/g
‑
10m2/g；
[0014]在一个可选地实施方式中，所述碳负极材料的真密度为1.8g/cc
‑
2.6g/cc；
[0015]在一个可选地实施方式中，所述碳负极材料的中值粒径为2μm
‑
40μm。
[0016]本申请还提供一种碳负极材料的制备方法，包括：
[0017]将碳源依次进行前处理、插层反应和后处理，得到所述碳负极材料。
[0018]在一个可选地实施方式中，所述前处理包括：
[0019]将包括所述碳源在内的原料进行第一预碳化和第一烧结，得到第一前驱体；
[0020]将包括所述第一前驱体和牺牲性碳源在内的物料混合包覆，然后进行固化和氧化，得到第二前驱体；
[0021]在一个可选地实施方式中，所述碳源包括硬碳碳源，所述硬碳碳源包括酚醛树脂、环氧树脂、密胺树脂、糠醛树脂、丙烯酸树脂、淀粉、葡萄糖、蔗糖、果糖、沥青、杏仁壳、椰壳、桃核壳、核桃壳、酸枣核壳、聚糠醇、聚苯、聚苯胺、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈中的至少一种；
[0022]在一个可选地实施方式中，所述第一预碳化的温度为400℃
‑
600℃，时间为0.5h
‑
4h；
[0023]在一个可选地实施方式中，所述第一预碳化之后、所述第一烧结之前还包括第一粉碎处理；
[0024]在一个可选地实施方式中，所述第一粉碎处理得到的粉碎物料的中值粒径为2μm
‑
40μm；
[0025]在一个可选地实施方式中，所述第一粉碎处理得到的粉碎物料的中值粒径为5μm
‑
20μm；
[0026]在一个可选地实施方式中，所述第一粉碎处理得到的粉碎物料的中值粒径为6μm
‑
15μm；
[0027]在一个可选地实施方式中，所述第一粉碎处理之后、所述第一烧结之前还包括第一纯化处理；
[0028]在一个可选地实施方式中，所述第一纯化处理包括：将包括所述粉碎物料、第一酸和水在内的物料混合，浸渍后用水进行第一洗涤，然后进行第一干燥；
[0029]在一个可选地实施方式中，所述第一酸包括盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、磷酸、高氯酸、醋酸和苯甲酸中的至少一种；
[0030]在一个可选地实施方式中，所述粉碎物料、所述第一酸和水的质量比为1：(0.2
‑
2)：(5
‑
10)；
[0031]在一个可选地实施方式中，所述浸渍的时间为12h
‑
48h；
[0032]在一个可选地实施方式中，使用水将物料洗涤至pH为6
‑
7；
[0033]在一个可选地实施方式中，所述水为纯水或去离子水；
[0034]在一个可选地实施方式中，所述第一干燥的温度为80℃
‑
120℃，时间为24h
‑
48h；
[0035]在一个可选地实施方式中，所述第一纯化之后、所述第一烧结之前，还包括：使用第一杂元素源对纯化后物料进行第一掺杂；
[0036]在一个可选地实施方式中，所述第一杂元素源包括磷源和/或硫源；
[0037]在一个可选地实施方式中，所述磷源包括五氧化二磷、三氧化二磷、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二胺和磷酸中的至少一种；
[0038]在一个可选地实施方式中，所述硫源包括硫粉、硫代硫酸钠、硫化铵、硫化氢铵、硫化氢铵和苯甲硫醚中的至少一种；
[0039]在一个可选地实施方式中，所述纯化后物料与所述第一杂元素源的质量比为(99
‑
70):(1
‑
30)；
[0040]在一个可选地实施方式中，所述第一烧结在第一保护气氛下进行；
[0041]在一个可选地实施方式中，所述第一保护气氛包括氮气、氦气、氖气、氩气和氪气中的至少一种；
[0042]在一个可选地实施方式中，所述第一烧结的温度为1000℃
‑
1300℃，时间为0.5h
‑
12h；
[0043]在一个可选地实施方式中，所述牺牲性碳源包括沥青、葡萄糖、蔗糖、果糖、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈中的至少一种；
[0044]在一个可选地实施方式中，所述牺牲性碳源和所述第一前驱体的质量比为(1
‑
10)：(99
‑
90)；
[0045]在一个可选地实施方式中，所述混合包覆的方式包括固相混合包覆、液相混合包覆和加热熔融包覆；
[0046]在一个可选地实施方式中，所述固化包括：将所述混合包覆得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳负极材料，其特征在于，所述碳负极材料包括碳基体和碱金属元素，所述碳负极材料的碳层间分布有所述碱金属元素，所述碱金属元素包括钠元素和/或钾元素，所述碳负极材料的碳层间距为0.35nm
‑
0.43nm。2.根据权利要求1所述的碳负极材料，其特征在于，所述碳基体中掺杂有杂元素；及/或，所述杂元素包括S和/或P；及/或，所述杂元素占所述碳负极材料总质量的比例不大于4％；及/或，所述碱金属元素的质量占所述碳负极材料总质量的比例不大于3％；及/或，所述碱金属元素在所述碳层间以ACx形式存在，其中，A为Na和/或K，x>8；及/或，所述碳负极材料的比表面积为0.5m2/g
‑
10m2/g；及/或，所述碳负极材料的真密度为1.8g/cc
‑
2.6g/cc；及/或，所述碳负极材料的中值粒径为2μm
‑
40μm。3.一种碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括：将碳源依次进行前处理、插层反应和后处理，得到所述碳负极材料。4.根据权利要求3所述的碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述前处理包括：将包括所述碳源在内的原料进行第一预碳化和第一烧结，得到第一前驱体；将包括所述第一前驱体和牺牲性碳源在内的物料混合包覆，然后进行固化和氧化，得到第二前驱体；及/或，所述碳源包括硬碳碳源，所述硬碳碳源包括酚醛树脂、环氧树脂、密胺树脂、糠醛树脂、丙烯酸树脂、淀粉、葡萄糖、蔗糖、果糖、沥青、杏仁壳、椰壳、桃核壳、核桃壳、酸枣核壳、聚糠醇、聚苯、聚苯胺、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈中的至少一种；及/或，所述第一预碳化的温度为400℃
‑
600℃，时间为0.5h
‑
4h；及/或，所述第一预碳化之后、所述第一烧结之前还包括第一粉碎处理；及/或，所述第一粉碎处理得到的粉碎物料的中值粒径为2μm
‑
40μm；及/或，所述第一粉碎处理得到的粉碎物料的中值粒径为5μm
‑
20μm；及/或，所述第一粉碎处理得到的粉碎物料的中值粒径为6μm
‑
15μm；及/或，所述第一粉碎处理之后、所述第一烧结之前还包括第一纯化处理；及/或，所述第一纯化处理包括：将包括所述粉碎物料、第一酸和水在内的物料混合，浸渍后用水进行第一洗涤，然后进行第一干燥；及/或，所述第一酸包括盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、磷酸、高氯酸、醋酸和苯甲酸中的至少一种；及/或，所述粉碎物料、所述第一酸和水的质量比为1：(0.2
‑
2)：(5
‑
10)；及/或，所述浸渍的时间为12h
‑
48h；及/或，使用水将物料洗涤至pH为6
‑
7；及/或，所述水为纯水或去离子水；及/或，所述第一干燥的温度为80℃
‑
120℃，时间为24h
‑
48h；及/或，所述第一纯化之后、所述第一烧结之前，还包括：使用第一杂元素源对纯化后物料进行第一掺杂；及/或，所述第一杂元素源包括磷源和/或硫源；及/或，所述磷源包括五氧化二磷、三氧化二磷、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二胺和磷
酸中的至少一种；及/或，所述硫源包括硫粉、硫代硫酸钠、硫化铵、硫化氢铵、硫化氢铵和苯甲硫醚中的至少一种；及/或，所述纯化后物料与所述第一杂元素源的质量比为(99
‑
70):(1
‑
30)；及/或，所述第一烧结在第一保护气氛下进行；及/或，所述第一保护气氛包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气中的至少一种；及/或，所述第一烧结的温度为1000℃
‑
1300℃，时间为0.5h
‑
12h；及/或，所述牺牲性碳源包括沥青、葡萄糖、蔗糖、果糖、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈中的至少一种；及/或，所述牺牲性碳源和所述第一前驱体的质量比为(1
‑
10)：(99
‑
90)；及/或，所述混合包覆的方式包括固相混合包覆、液相混合包覆和加热熔融包覆；及/或，所述固化包括：将所述混合包覆得到的物料在第二保护气氛下加热固化；及/或，所述第二保护气氛包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气中的一种或多种；及/或，所述加热固化的温度为100℃
‑
300℃；及/或，所述氧化包括：将所述固化得到的物料在含氧气氛中进行第一加热处理；及/或，所述含氧气氛中氧气的质量百分比为5％
‑
100％；及/或，所述含氧气氛为空气；及/或，所述第一加热处理的温度为200℃
‑
350℃，升温速率为0.5℃/min
‑
5℃/min，保温时间为0.5h
‑
3h。5.根据权利要求4所述的碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述插层反应包括：将包括所述第二前驱体和用于提供钠元素或钾元素的活性添加剂在内的物料混合，加热反应后冷却得到所述碳负极材料；及/或，所述活性添加剂包括氢氧化钠、氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸钠、次硝酸钠、次氯酸钠、草酸钠、醋酸钠、氨基钠、乙醇钠、氢氧化钾、氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、硝酸钾、次硝酸钾、次氯酸钾、草酸钾、醋酸钾、氨基钾和乙醇钾中的至少一种；及/或，所述第二前驱体与所述活性添加剂的质量比为1：(0.5
‑
2)；及/或，所述活性添加剂的粒径小于等于30目；及/或，所述第二前驱体和活性添加剂的混合采用VC机进行，所述VC机的转速为500r/min
‑
3000r/min，混合时间为5min
‑
40min；及/或，所述加热反应的温度为650℃
‑
850℃，升温速率为0.5℃/min
‑
5℃/min，保温时间为20min
‑
60min；及/或，所述加热反应在第三保护气氛中进行，所述第三保护气氛包括氮气、氦气、氖气、氩气和氪气中的至少一种；及/或，所述冷却的终点温度小于等于120℃；及/或，所述后处理包括：将所述冷却得到的物料与水混合，洗涤至pH小于等于10，然后加入中和物质，过滤并洗涤至pH为6
‑
7，然后进行第二干燥；及/或，所述中和物质包括盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、磷酸、高氯酸、醋酸和苯甲酸中的
至少一种；及/或，所述第二干燥的温度为80℃
‑
120℃，时间为24h
‑
36h。6.根据权利要求3所述的碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述前处理包括：将包括所述碳源在内的原料进行第二预碳化，得到第三前驱体；将包括所述第三前驱体、氧化性溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：程钢，汪福明，李子坤，任建国，贺雪琴，
申请(专利权)人：鸡西市贝特瑞新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：