晶型渐变的碳材料及其制备方法技术

提供了一种晶型渐变的碳材料，其内核为含碳晶体材料，由内向外，材料的晶型结构向非晶体渐变。该材料与锂具有很好的浸润性，可以与熔融锂快速发生浸润。与传统碳材料相比，该材料做成电极后，金属锂在材料表面的成核能小，有利于金属锂的均匀沉积，进而抑制锂枝晶的生长。另外，该材料制备工艺扩展性强，可在基材或无基材的条件下实现批量化生产。无基材的条件下实现批量化生产。无基材的条件下实现批量化生产。

【技术实现步骤摘要】
晶型渐变的碳材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于新材料
，尤其涉及一种晶型渐变的碳材料。
[0002]背景介绍
[0003]随着新能源行业的蓬勃发展，锂电池的制作工艺和材料也在不断更新升级。石墨是锂电池的传统负极材料，因其较高的比容量(372mAh/g)、较低的嵌锂电位(0.2V Vs Li/Li
+
)和工艺稳定性，而成为主流负极材料。但是随着新能源汽车续航里程的不断提高，石墨负极材料已不能满足制备高能量密度锂电池的要求。另外，随着快充技术的发展，充电采用较大的电流，但石墨与金属锂浸润性差，金属锂在石墨负极表面成核并进行嵌锂速度较慢，所以石墨负极存在析锂的风险，以上不足都将极大限制石墨负极材料在锂电池领域的应用。而金属锂负极材料比容量大(3860mAh/g)，约为石墨负极材料的10倍，有潜力成为单独部件，即作为金属锂负极。但锂离子会在金属锂负极表面快速沉积而产生大量锂枝晶，且可能由于没有宿主材料而发生无限膨胀，这些变化终将导致电池失效，甚至发生安全事故。
[0004]因此，确有必要提供一种碳材料，可以使金属锂在该碳材料表面沉积，且沉积的成核能小，即使在快充条件下也不会发生析锂。另外，该碳材料还可以作为宿主材料，与金属锂完全浸润，进而制备比容量高且电极物理状态稳定的负极材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种晶型渐变的碳材料，该碳材料内核为晶化的含碳材料，由内向外，材料的晶型向非晶体渐变。该材料表面原子为非晶排列，金属锂在表面沉积的成核能小，即使在大电流下，该碳材料表面也不会发生析晶。另外，该材料可以作为三维骨架材料，与熔融金属锂发生快速浸润而制备高比容量且电极物理状态稳定的含锂碳材料。该材料可实现工业化生产。
[0006]具体地，本专利技术的一个方面提供一种晶型渐变的碳材料，所述碳材料包括含碳晶体材料内核和覆盖于所述内核上的碳质外壳，其中所述碳质外壳由内向外晶型渐变，最内层为晶体结构，最外层为非晶结构，最外层非晶体结构中含有0.5％至7％的氧原子以及0至5％的杂原子。
[0007]在本专利技术中，含碳晶体材料是指组成材料的碳原子按一定规则有序排列(微观结构)的材料，而非晶材料是指原子近程有序、远程无序排列的材料，也可以称为无定形材料。
[0008]在一些实施方式中，所述含碳晶体材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳基金属氧化物纤维、碳基共价有机纤维中的至少一种。
[0009]在一些实施方式中，所述碳材料具有纤维、杆状、棒状、片状或不规则形状。
[0010]在一些实施方式中，碳质外壳的厚度在10nm至600nm范围内。
[0011]在一些实施方式中，所述杂原子包括金属杂原子和非金属杂原子，其中，金属杂原子包括铍、钠、镁、铝、钾、钙、锡、铟、铁、铜、金、银、钇、铅、锗中的至少一种，非金属杂原子包括硼、氮、氟、硅、磷、硫、氯、碘、溴中的至少一种。
[0012]在一些实施方式中，所述碳质外壳中镶嵌有纳米金属颗粒。
[0013]在一些实施方式中，所述纳米金属颗粒的尺寸范围为5nm至800nm。
[0014]在一些实施方式中，所述碳质外壳为与含碳晶体材料共混的有机材料的炭化产物，所述有机材料选自由有机粘结剂、有机填料和交联剂组成的组。
[0015]在一些实施方式中，所述有机粘结剂选自由聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丁烯苯乙烯、聚苯乙烯、聚羧基纤维素、氰基丙烯酸酯、聚丙烯酸、环糊精、环醚衍生物、聚氨酯、甲基丙烯酸酯、环氧树脂、醋酸乙烯基聚合物、聚酰亚胺、有机氟聚合物、有机硅氧烷、聚乙二醇、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、甘油、羟苯乙酯及其衍生物、单糖或多糖类聚合物组成的组。
[0016]在一些实施方式中，所述有机填料选自由塑料微粒子(聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等)、苯甲酸、苯甲酸钠、山梨酸、山梨酸钾、丙酸钙、脱氢乙酸盐组成的组。
[0017]在一些实施方式中，所述交联剂选自由丙烯酸键合烯丙基蔗糖或季戊四醇烯丙醚的高分子聚合物、过氧化苯甲酰、二亚乙基三胺、水合硼酸钠、纤维素衍生物、异噻唑啉酮组成的组。
[0018]本专利技术的另一个方面提供一种制备上述碳材料的方法，所述方法包括：
[0019]步骤1、将有机粘结剂、填料、交联剂和溶剂均匀混合，所述填料包括含碳晶体材料、有机填料和任选的无机填料；
[0020]步骤2、对步骤1获得的混合物进行去除溶剂的预干燥；
[0021]步骤3、在惰性气氛保护下，将步骤2获得的材料在300℃
‑
1200℃范围内的温度进行加热，在冷却后得到晶态渐变的碳材料。
[0022]在一些实施方式中，所述的有机粘结剂、填料、交联剂和溶剂的质量比为(4
‑
15份)：(10
‑
30份)：(0.01
‑
20份)：(20
‑
400份)，
[0023]所述的含碳晶体材料在填料中的质量比例为15％至100％。
[0024]在一些实施方式中，所述有机粘结剂选自由聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丁烯苯乙烯、聚苯乙烯、聚羧基纤维素、氰基丙烯酸酯、聚丙烯酸、环糊精、环醚衍生物、聚氨酯、甲基丙烯酸酯、环氧树脂、醋酸乙烯基聚合物、聚酰亚胺、有机氟聚合物、有机硅氧烷、聚乙二醇、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、甘油、羟苯乙酯及其衍生物、单糖或多糖类聚合物组成的组。
[0025]在一些实施方式中，所述有机填料选自由塑料微粒子(聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯)、苯甲酸、苯甲酸钠、山梨酸、山梨酸钾、丙酸钙、脱氢乙酸盐组成的组。
[0026]在一些实施方式中，所述无机填料选自由金属纳米颗粒、金属氧化物、金属氮化物、碳酸钙、含水硅酸镁、云母、水合二氧化硅、二氧化硅组成的组。
[0027]在一些实施方式中，所述交联剂选自由丙烯酸键合烯丙基蔗糖或季戊四醇烯丙醚的高分子聚合物、过氧化苯甲酰、二亚乙基三胺、水合硼酸钠、纤维素衍生物、异噻唑啉酮组成的组。
[0028]在一些实施方式中，所述溶剂选自由水、四氯乙烯、甲苯、松节油、丙酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯、戊烷、正己烷、环己烷、辛烷、柠檬精、酒精、二甲苯、甲苯环己酮、异丙醇、乙醚、环氧丙烷、甲基丁酮、乙二醇单甲醚乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、苯酚、乙二胺组成的组。
[0029]在一些实施方式中，步骤1的填料中还包含纳米金属颗粒。
[0030]在一些实施方式中，步骤1的填料中的纳米金属颗粒、有机粘结剂、其他填料、交联
剂和溶剂的质量比为(0.01
‑
20份)：(4
‑
15份)：(10
‑
30份)：(0.01
‑
20份)：(20
‑
400份)。
[0031]在一些实施方式中，所述的预干燥温度为
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200℃至200℃，优选20℃至100℃，预干燥时间为1小时至48小时，优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶型渐变的碳材料，其特征在于，所述碳材料包括含碳晶体材料内核和覆盖于所述内核上的碳质外壳，其中所述碳质外壳由内向外晶型渐变，最内层为晶体结构，最外层为非晶结构，最外层非晶体结构中含有0.5％至7％的氧原子以及0至5％的杂原子。2.根据权利要求1所述的晶型渐变的碳材料，其特征在于，所述含碳晶体材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳基金属氧化物纤维、碳基共价有机纤维中的至少一种。3.根据权利要求1所述的晶型渐变的碳材料，其特征在于，所述碳材料具有纤维、杆状、棒状、片状或不规则形状；所述碳质外壳的厚度在10nm至600nm范围内。4.根据权利要求1所述的晶型渐变的碳材料，其特征在于，所述的杂原子包括金属杂原子和非金属杂原子，其中，金属杂原子包括铍、钠、镁、铝、钾、钙、锡、铟、铁、铜、金、银、钇、铅、锗中的至少一种，非金属杂原子包括硼、氮、氟、硅、磷、硫、氯、碘、溴中的至少一种。5.根据权利要求1所述的晶型渐变的碳材料，其特征在于，所述碳质外壳中镶嵌有纳米金属颗粒。6.根据权利要求5所述的晶型渐变的碳材料，其特征在于，所述纳米金属颗粒的尺寸范围为5nm至800nm。7.一种制备根据权利要求1至6中任一项所述的晶型渐变的碳材料的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、将有机粘结剂、填料、交联剂和溶剂均匀混合，所述填料包括含碳晶体材料、有机填料和任选的无机填料；步骤2、对步骤1获得的混合物进行去除溶剂的预干燥；步骤3、在惰性气氛保护下，将步骤2获得的材料在300℃
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1200℃范围内的温度进行加热，在冷却后得到晶态渐变的碳材料。8.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔德钰，郇庆娜，孙兆勇，陈强，牟瀚波，
申请(专利权)人：天津中能锂业有限公司，
类型：发明
国别省市：