一种碳材料及其制备方法和应用技术

一种碳材料及其制备方法和应用，涉及新能源材料领域，该制备方法包括以下步骤：S1：将硬碳前驱体和石墨化促进剂混合，得到硬碳前驱体/石墨化促进剂混合物；S2：将硬碳前驱体/石墨化促进剂混合物进行初级碳化、粉碎，得到初级硬碳材料；S3：将软碳前驱体和造孔剂混合，得到软碳前驱体/造孔剂混合物；S4：将软碳前驱体/造孔剂混合物与初级硬碳材料混合，得到软碳前驱体/造孔剂混合物包覆的初级硬碳材料；S5：将软碳前驱体/造孔剂混合物包覆的初级硬碳材料进行高温烧结，即制得所述的碳材料。本发明专利技术可提升离子传输速率和倍率，在高温烧结过程中促进软碳层与硬碳内核的界面融合，降低两者的界面阻抗，改善复合材料的电子传导和离子扩散速率。扩散速率。扩散速率。

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及新能源材料领域，具体的说是一种碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]风电、光伏等清洁能源的有效、稳定利用离不开高效的储能器件。开发高能量/功率密度、低成本、长循环寿命的储能系统是助力节能减排的有效手段。
[0003]当前商业化的储能器件包括铅酸电池、锂离子电池及超级电容器等，然而都各自存在一些缺点。比如铅酸电池虽然成本低，但能量密度低、循环寿命短；超级电容器虽然功率密度大、循环寿命长，但是能量密度低、自放电严重；锂离子电池是近年来发展最为迅速的新型储能器件，具有能量密度高、循环寿命长、电压高的优势，但是其也存在安全性能堪忧、成本高企、倍率和循环寿命有待进一步提高的缺点；钠离子电池具有和锂离子电池类似的工作原理和制造技工艺，而且所用的材料在自然界中储存丰富，因此，钠离子电池是一种低成本的储能器件。更重要的是，钠离子电池是一种高能量/功率密度、高安全、长循环寿命和高低温性能优异的储能器件，是其他储能器件的潜在替代品和有力补充。
[0004]与以转化机理的金属化合物(充放电体积变化大、导电性差)和以合金/去合金机理的锡/铋基化合物(充放电体积变化大、成本高)相比，以嵌入/脱嵌机理的碳材料是钠离子电池最有潜力大规模商业化的负极材料，主要因为碳材料的原料来源广泛、无毒、安全性和热稳定性优异和成本低。目前锂离子电池应用的碳负极材料包括石墨、硬碳、软碳等。然而，石墨因为层间距太小(0.335nm)，钠离子无法顺利的嵌入/脱出，导致石墨储钠容量很低，而且倍率和循环很差。
[0005]硬碳是通过将富碳前驱体(生物质、高分子材料等)经过高温碳化制得，即使在很高温度(>2500℃)下也难石墨化碳材料，所得产物是一种无序的碳材料，具有较大的层间距、丰富的孔道、较高的比表面积、较多的缺陷，因此硬碳作为钠离子电池的负极材料，具有高比容量、高倍率及长循环寿命。但是，高的比表面积、缺陷和孔道是一把双刃剑，虽然提高了容量和倍率，但是影响了导电性，更造成充放电效率较低，尤其是首次效率。
[0006]软碳是一种在较高温度下易形成石墨化结构的碳材料，将前驱体(沥青、共轭有机化合物)经过高温焙烧制得，较高的石墨化程度，较小的比表面积，结构有序性较好，层间距比石墨大，作为钠离子电池的负极，比容量和倍率都远优于于石墨，且充放电效率比硬碳高；但是仍旧受制于其较小的层间距、较小的比表面积和孔道，使得其比容量和倍率不如硬碳。
[0007]现有技术中也有将软碳和硬碳结合形成复合材料的研究，比如申请号为CN202211464208.X的中国专利技术专利，公开了一种复合硬碳材料及其制备方法和应用，具体公开的复合硬碳材料包括硬碳颗粒基体和软碳层，所述软碳层包覆在所述硬碳颗粒基体表面；又如申请号为201810379887.8的中国专利技术专利公开了一种硬碳包覆软碳被用作锂离子电池负极材料的制备方法。
[0008]但是，无论硬碳包覆软碳或软碳包覆硬碳都存在一定的缺点，既没有充分利用两
者的优势，也没有从根本上解决两者的缺点。硬碳包覆软碳这种方式，硬碳的高比表面积/丰富孔道/缺陷造成的低充放电效率的缺点依旧存在，软碳的低容量、低倍率仍然没解决，可以说这种方式把两者的缺点都保留了。而软碳包覆硬碳，虽然在一定程度上降低了硬碳的比表面积(软碳堵住了硬碳的部分孔道)，提高了充放电效率，但是却大大降低了材料的比容量和倍率性能(阻碍了离子传输、降低了储存位点)。这两种方法还有更严重的缺陷，一是外壳和内核没有良好的融合，存在界面内阻，二是从外壳到内核没有贯穿孔道，因而电子传导和离子传输不畅，导致内阻增加、倍率不佳。

技术实现思路

[0009]本专利技术旨在提供一种碳材料及其制备方法和应用，以解决软碳和硬碳结合形成的复合材料离子传输不畅、倍率不佳的技术问题。
[0010]为了解决以上技术问题，本专利技术采用的具体方案为：一种碳材料，包括硬碳内核和包覆在硬碳内核外部的软碳层，硬碳内核为石墨化硬碳，软碳层为多孔软碳。
[0011]一种碳材料的制备方法，该制备方法用于制备上述的碳材料，包括以下步骤：
[0012]S1：将硬碳前驱体和石墨化促进剂混合，得到硬碳前驱体/石墨化促进剂混合物；
[0013]S2：将S1的硬碳前驱体/石墨化促进剂混合物进行初级碳化、粉碎，得到初级硬碳材料，备用；
[0014]S3：将软碳前驱体和造孔剂混合，得到软碳前驱体/造孔剂混合物；
[0015]S4：将S3的软碳前驱体/造孔剂混合物与S2的初级硬碳材料混合，得到软碳前驱体/造孔剂混合物包覆的初级硬碳材料；
[0016]S5：将S4得到的软碳前驱体/造孔剂混合物包覆的初级硬碳材料进行高温烧结，粉碎、酸洗、分级，即制得所述的碳材料。
[0017]作为上述技术方案的进一步优化，所述硬碳前驱体为生物质、生物质衍生物、酚醛树脂、脲醛树脂、糠醛树脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟二烯、聚醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨酯中的一种或几种。
[0018]作为上述技术方案的进一步优化，所述石墨化促进剂为钴元素、镍元素、钼元素、锰元素、铜元素、钛元素、镁元素的氯化物、硫化物、磷化物、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐和磷酸盐中的一种或几种结合。
[0019]作为上述技术方案的进一步优化，所述软碳前驱体为天然沥青、页岩沥青、煤基沥青、石油沥青、磺化沥青、聚丙烯腈、聚苯胺、聚苯、聚噻吩、聚呋喃和聚吡咯中的一种或混合物。
[0020]作为上述技术方案的进一步优化，所述造孔剂为锌元素、铝元素、锂元素、钠元素、钾元素、钙元素、镁元素、铜元素的氢氧化物、氯化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐和硝酸盐中的一种或几种结合。
[0021]作为上述技术方案的进一步优化，步骤S2中初级碳化方式包括中低温烧结、溶剂热反应或水热反应；所述的中低温烧结温度范围为100
‑
600℃，维持时间为0.5
‑
6小时。
[0022]作为上述技术方案的进一步优化，步骤S5中高温烧结温度为1000
‑
2800℃。
[0023]作为上述技术方案的进一步优化，步骤S5中烧结气氛为氮气、氩气、氢气中的一种
或几种。
[0024]一种碳材料在钠离子电池中的应用。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术公开的多孔软碳包覆石墨化硬碳技术是晶型有序(软碳)的碳材料包覆晶型无序(硬碳)的碳材料，在有序的软碳包覆层通过造孔剂引入孔道，使得包覆层的孔道与硬碳内核丰富的孔道形成贯穿互联的孔道(避免了堵塞硬碳的孔道)，可在不降低导电性的前提下，提升离子传输速率和倍率；同时，在无序的硬碳内核通过引入石墨化促进剂，一方面在高温烧结过程中促进软碳层与硬碳内核的界面融合，降低两者的界面阻抗，改善复合材料的电子传导和离子扩散速率；另一方面通过提升石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳材料，其特征在于，包括硬碳内核和包覆在硬碳内核外部的软碳层，硬碳内核为石墨化硬碳，软碳层为多孔软碳。2.一种碳材料的制备方法，其特征在于，该制备方法用于制备如权利要求1所述的碳材料，包括以下步骤：S1：将硬碳前驱体和石墨化促进剂混合，得到硬碳前驱体/石墨化促进剂混合物；S2：将S1的硬碳前驱体/石墨化促进剂混合物进行初级碳化、粉碎，得到初级硬碳材料，备用；S3：将软碳前驱体和造孔剂混合，得到软碳前驱体/造孔剂混合物；S4：将S3的软碳前驱体/造孔剂混合物与S2的初级硬碳材料混合，得到软碳前驱体/造孔剂混合物包覆的初级硬碳材料；S5：将S4得到的软碳前驱体/造孔剂混合物包覆的初级硬碳材料进行高温烧结，粉碎、酸洗、分级，即制得所述的碳材料。3.根据权利要求2所述的一种碳材料的制备方法，其特征在于，所述硬碳前驱体为生物质、生物质衍生物、酚醛树脂、脲醛树脂、糠醛树脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟二烯、聚醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨酯中的一种或几种。4.根据权利要求2所述的一种碳材料的制备方法，其特征在于，所述石墨化促进剂为钴元素、镍元素、钼元素、锰元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：随东，罗瑞燊，杨艳良，傅红如，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：