一种稀土掺杂硬碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，提出了一种稀土掺杂硬碳复合材料及其制备方法，所述稀土掺杂硬碳复合材料为核壳结构，内核为稀土掺杂硬碳，外壳由无定形碳及碳纳米管组成，其制备方法为：S1、将水溶性硬碳前驱体、稀土化合物、分散剂、催化剂混合，得到溶液A；在25

【技术实现步骤摘要】
一种稀土掺杂硬碳复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体的，涉及一种稀土掺杂硬碳复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硬碳是一种难石墨化碳材料，并以其快充、低温性能优异等特性而应用于48V/HEV等领域，但是由于材料的自身能量密度偏低(300mAh/g,1.0g/cm3，80％)限制其在EV等电动汽车的应用。而提升硬碳材料能量密度的措施主要有材料掺杂，包覆，其掺杂物质一方面具有高的能量密度，功率性能，另一方面，掺杂可以实现材料的造孔提升材料储锂功能，提升能量密度，比如申请公布号为CN 114678505 A的专利技术专利申请，公开了一种硫磷共掺杂硬碳复合材料，在内核硬碳中掺杂磷原子，利用制备过程中硫磷化合物自身的催化作用形成的孔洞提升材料的储锂活性点及其磷自身高的比容量提升能量密度，硫原子掺杂入碳层间，增加碳层间距，并增加了表面活性位点，增加锂离子迁移速率，提升功率性能。但是该硫磷共掺杂硬碳材料的首次效率仍然偏低，功率性能偏差。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出一种稀土掺杂硬碳复合材料及其制备方法，解决了现有技术中的硬碳材料的首次效率偏低、功率性能偏差的问题。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]本专利技术提出了一种稀土掺杂硬碳复合材料，所述稀土掺杂硬碳复合材料为核壳结构，内核为稀土掺杂硬碳，外壳由无定形碳及碳纳米管组成。
[0006]作为进一步的技术方案，所述外壳的质量为所述稀土掺杂硬碳复合材料质量的1
‑
10％。
[0007]本专利技术还提出了一种稀土掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将水溶性硬碳前驱体、稀土化合物、分散剂、催化剂混合，得到溶液A；在25
‑
150℃下，将碳酸盐溶液滴加到溶液A中，搅拌分散，过滤、洗涤、干燥，得到稀土掺杂硬碳前驱体；
[0009]S2、在氮气保护下，将萘蒸汽通入稀土掺杂硬碳前驱体中，在80
‑
150℃下反应1
‑
6h，得到稀土掺杂硬碳内核；
[0010]S3、在碳源气体作用下，将稀土掺杂硬碳内核在700
‑
1100℃碳化1
‑
6h，得到稀土掺杂硬碳复合材料。
[0011]作为进一步的技术方案，所述S1中，
[0012]水溶性硬碳前驱体为水溶性酚醛树脂、水溶性糠醛树脂、水溶性环氧树脂中的一种；
[0013]稀土化合物为稀土金属的氯化物或硝酸物；所述稀土金属为锆、镧、铈、镨、钕、钐、镝、钬中的一种或多种；
[0014]分散剂为木质素磺酸钠、羧甲基纤维素钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种；
[0015]催化剂为铁、钴、镍的氯化物或铁、钴、镍的硝酸物中的一种。
[0016]作为进一步的技术方案，所述S1中，以质量计，水溶性硬碳前驱体：稀土化合物：分散剂：催化剂：碱＝100：(1
‑
10)：(0.5
‑
2)：(0.5
‑
2)：(1
‑
10)。
[0017]作为进一步的技术方案，所述S1中，搅拌分散时间为1
‑
6h。
[0018]作为进一步的技术方案，所述S1中，碳酸盐溶液的质量浓度为1
‑
10％，碳酸盐为碳酸钠，碳酸氢钠、碳酸铵、碳酸氢氨中的一种。
[0019]作为进一步的技术方案，所述S2中，萘与稀土掺杂硬碳前驱体的质量比为10
‑
50：100。
[0020]作为进一步的技术方案，所述S2中，碳源气体为甲烷、乙炔、乙烯中的一种。
[0021]本专利技术还提出了一种锂离子电池电极，包括所述稀土掺杂硬碳复合材料，或所述制备方法制备得到的稀土掺杂硬碳复合材料。
[0022]本专利技术还提出了一种锂离子电池，包括所述锂离子电池电极。
[0023]本专利技术的工作原理及有益效果为：
[0024]1、本专利技术中，硬碳复合材料为核壳结构，其中内核掺杂稀土金属，稀土金属的加入，一方面扩充了石墨的层间距，提升了锂离子的脱嵌速率，从而提高了材料的倍率性能，另一方面，稀土金属填充在硬碳孔隙中，提升了材料的振实密度及其电子导电率，从而提高了材料的首次效率和循环性能，解决了现有技术中的硬碳材料首次效率偏低、功率性能偏差的问题。
[0025]2、本专利技术中，硬碳复合材料的制备中，先制备得到稀土掺杂硬碳前驱体，然后在稀土掺杂硬碳前驱体外层沉积萘，释放材料之间的应力及其减少材料的缺陷，得到稀土掺杂硬碳内核，再在外层用无定形碳/碳纳米管包覆，进一步提高了硬碳复合材料的首次效率。
附图说明
[0026]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0027]图1为本专利技术实施例1的稀土掺杂硬碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本专利技术保护的范围。
[0029]实施例1
[0030]一种稀土掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0031]S1、制备稀土掺杂硬碳前驱体
[0032]将100g水溶性酚醛树脂、5g氯化镧、1g木质素磺酸钠、1g氯化铁分散均匀，得到溶液A；
[0033]配制100mL质量浓度为5％的碳酸钠水溶液，得到溶液B；
[0034]在80℃下，缓缓将溶液B滴加到溶液A中，在搅拌状态下分散3h，之后过滤、稀盐酸洗涤、80℃真空干燥24h，得到稀土掺杂硬碳前驱体；
[0035]S2、制备稀土掺杂硬碳内核
[0036]将30g萘在有氮气的密闭反应器A中以5℃/min的升温速率加热至220℃，得到萘蒸汽；
[0037]将100g稀土掺杂硬碳前驱体置于有氮气的密闭反应器B中，以5℃/min的升温速率加热至120℃；
[0038]将反应器A与反应器B用导管相连，让萘蒸汽通入稀土掺杂硬碳前驱体中充分吸收，反应时间3h，得到稀土掺杂硬碳内核；
[0039]S3、制备无定形碳/碳纳米管包覆稀土掺杂硬碳复合材料
[0040]将稀土掺杂硬碳内核转移到管式炉中，首先通入氩气惰性气体排除管式炉内空气，之后通入甲烷气体，在900℃碳化3h，自然降温至室温，粉碎，得到稀土掺杂硬碳复合材料。
[0041]实施例2
[0042]一种稀土掺杂硬碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0043]S1、制备稀土掺杂硬碳前驱体
[0044]将100g水溶性环氧树脂、1g氯化铈、0.5g十二烷基硫酸钠、0.5g氯化钴分散均匀，得到溶液A；
[0045]配制100mL本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂硬碳复合材料，其特征在于，所述稀土掺杂硬碳复合材料为核壳结构，内核为稀土掺杂硬碳，外壳由无定形碳及碳纳米管组成。2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂硬碳复合材料，其特征在于，所述外壳的质量为所述稀土掺杂硬碳复合材料质量的1
‑
10％。3.一种稀土掺杂硬碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将水溶性硬碳前驱体、稀土化合物、分散剂、催化剂混合，得到溶液A；在25
‑
150℃下，将碳酸盐溶液滴加到溶液A中，搅拌分散，过滤、洗涤、干燥，得到稀土掺杂硬碳前驱体；S2、在氮气保护下，将萘蒸汽通入稀土掺杂硬碳前驱体中，在80
‑
150℃下反应1
‑
6h，得到稀土掺杂硬碳内核；S3、在碳源气体作用下，将稀土掺杂硬碳内核在700
‑
1100℃碳化1
‑
6h，得到稀土掺杂硬碳复合材料。4.根据权利要求3所述的一种稀土掺杂硬碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述S1中，水溶性硬碳前驱体为水溶性酚醛树脂、水溶性糠醛树脂、水溶性环氧树脂中的一种；稀土化合物为稀土金属的氯化物或硝酸物；所述稀土金属为锆、镧、铈、镨、钕、钐、镝、钬中的一种或多种；分散剂为木质素磺酸钠、羧甲基纤维素钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志涛，胡志林，陈佐川，李荣民，宋会英，
申请(专利权)人：四川坤天新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：