碳材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置制造方法及图纸

本申请涉及一种碳材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置，该碳材料具有孔道结构，该碳材料通过液体探针测量法获得的相对于水的排气量为A，相对于乙醇的排气量为B；并且，A/B≥3。当该碳材料用于二次电池的负极材料时，其微观孔隙结构有利于减少首圈化成时造成的钠损失，从而使得应用该碳材料的二次电池具有优良的循环性能。具有优良的循环性能。具有优良的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
碳材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置


[0001]本申请涉及二次电池
，具体涉及一种碳材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置。

技术介绍

[0002]以锂离子电池为代表的二次电池目前已取得了广泛应用。与锂离子电池类似，钠离子电池依靠钠离子在正负极材料之间来回脱出和嵌入实现充放电过程。且钠资源储量丰富、分布广泛，使得钠离子电池成为了极具发展潜力的新一代电化学体系。
[0003]负极材料是目前制约钠离子电池性能的关键因素之一。钠离子负极材料目前存在钠离子原子半径比锂离子大，如采用传统石墨负极材料易于因石墨层间距较小而限制钠离子的嵌入和储存。因此需要开发更适合钠离子电池的负极材料。然而，现有技术中的负极材料多存在循环性能不足等缺点。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种碳材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置，该碳材料具有一定微观孔隙结构，并且通过相对于探针液体的排气量进行表征，该碳材料可以减少长时间的脱钠、嵌钠过程中的不可逆钠损失，从而可改善二次电池的循环性能。
[0005]为此，本申请提供了一种碳材料，所述碳材料具有孔道结构；所述碳材料通过液体探针测量法获得的相对于水的排气量为A，相对于乙醇的排气量为B；并且，A/B≥3。
[0006]在钠离子电池充电时，钠离子逐步嵌入负极的碳材料，最终以近似于钠团簇的形式存在于材料的闭孔当中，贡献平台段容量。然而，如果容纳钠团簇的孔道内部空间太大，易使得该孔道内形成的钠团簇与周围的碳层距离太远，在循环过程中容易脱离接触。因此，形成于较大空间内的钠团簇在放电时可能无法完全可逆脱嵌，从而残留在孔隙当中，构成不可逆的钠损失。
[0007]能够被水交换出来的气体量表征了钠离子能够出入的孔道的总体积。乙醇的动力学直径大于水，对于这些能够被水探测到的孔道，如果其同时也能被乙醇进入，表明其内部空间较大，有可能导致多次充放电后的钠离子残留，造成钠损失。因此，当能够被水交换的气体量大多数不能被乙醇交换出来（即满足A/B≥3）时，表明碳材料中可能造成不可逆钠损失的孔道结构较少，从而有效改善二次电池的循环性能。
[0008]在任意实施方式中，A/B的值为大于等于5。在任意实施方式中，A/B的值为大于等于10。在任意实施方式中，A/B的值为大于等于20。在任意实施方式中，A/B的值为大于等于30。
[0009]在任意实施方式中，B≤20 mL/g。
[0010]碳材料相对于乙醇的排气量B小于上述范围时，可避免碳材料中的大孔数量绝对值过大，从而更有利于提高电池的循环性能。
[0011]在任意实施方式中，A≤160 mL/g。
[0012]碳材料相对于水的排气量A与碳材料的稳定性有关。当符合A≤160 mL/g时，碳材料的孔隙结构不至于明显降低材料整体的稳定性，可以避免碳材料在嵌入/脱出钠离子的过程中发生坍塌。
[0013]在任意实施方式中，所述碳材料的X射线衍射谱中，002峰对应的2θ值在22
°
至24
°
之间；并且，在所述碳材料的拉曼光谱中，Id/Ig为1.0~1.4，其中，Id表示拉曼位移在1350
±
50 cm
‑1范围内的d峰强度，Ig表示拉曼位移在1580
±
50cm
‑1范围内的g峰强度。
[0014]当碳材料的X射线衍射谱的2θ值满足上述条件时，表明碳材料具备适中的无定形程度，更容易满足作为储钠材料的结构要求。碳材料的拉曼光谱中的Id/Ig值可反映碳材料的无序度，当无序度较高时，其储钠位点可能较多，但首效可能较低；相反，降低有序度可以提高首效，但可能导致克容量下降。当Id/Ig值满足上述条件时，说明碳材料的有序度适中，具备合适的储钠克容量和首效，同时具备良好的倍率性能。
[0015]在任意实施方式中，所述碳材料的体积粒径Dv50为3μm~7μm。
[0016]在任意实施方式中，所述碳材料的体积粒径Dv90为9μm~18μm。
[0017]当碳材料的体积粒径Dv50、Dv90分别在上述范围内时，则有利于在极片层级构建通畅的离子和电子传输通道，提升二次电池的倍率性能。
[0018]在任意实施方式中，所述碳材料的比表面积为0.1 m2/g~50 m2/g。
[0019]当碳材料的比表面积较低时，有利于减少在SEI成膜时消耗的活性离子，从而提升首效；另一方面，碳材料比表面积较高可有利于活性离子的传输。因此，当碳材料的比表面积在上述范围内时，可以兼具上述优点，从而获得较好的克容量和首效，同时具备良好的倍率性能。
[0020]本申请的第二方面，提供本申请第一方面所述的碳材料的制备方法，包括：将碳前驱体进行碳化处理，制备到所述碳材料。
[0021]通过对碳前驱体进行碳化处理，可形成孔隙结构，从而制备得到本申请第一方面所述的碳材料。
[0022]在任意实施方式中，所述碳化处理包括：对所述碳前驱体进行加热，升温至T1后进行保温，所述T1为1000~1700℃。
[0023]通过上述碳化处理，可实现碳化和局部石墨化。在1000~1700℃的温度条件下，局部石墨化的程度较高，易于形成规整的孔隙结构。
[0024]在任意实施方式中，所述保温的时间为t1，t1为1~50 h。
[0025]在一定温度条件下，保温时间会影响材料的石墨化程度。当采取上述保温时间时，有助于提升局部石墨化程度，易于形成规整的孔隙结构。如保温时间太短例如短于1 h，可能会使得碳化程度不足，从而形成的孔隙结构不够理想，对电池性能造成负面影响。
[0026]在任意实施方式中，所述碳化处理在保护气气氛条件下进行，所述保护气中含有氢气。
[0027]保护气中的氢气有助于去除碳前驱体表面的含氧官能团，促进孔隙收窄，有助于提高A/B值。
[0028]在任意实施方式中，所述碳化处理之前还包括以下步骤：对所述碳前驱体进行除杂；所述除杂包括酸性溶液洗涤步骤和/或碱性溶液洗涤步骤。
[0029]通过酸性溶液洗涤和/或碱性溶液洗涤，可以去除碳前驱体中的部分杂质，从而留下相应的孔隙。
[0030]在任意实施方式中，所述碳前驱体包括选自下组的至少一种：生物质材料、高分子聚合物、煤及其二次加工产品。在一些实施方式中，所述生物质材料包括选自下组的至少一种：木材（例如松木、杨木等）、秸秆、竹材、树皮、果壳（例如核桃壳、椰壳等）、果核（例如枣核）、淀粉、蔗糖、纤维素、木质素、半纤维素、甲壳素、果胶、木聚糖、壳聚糖和蛋白质。
[0031]可采用任何已知适合制备硬碳的原料进行本申请碳材料的制备，当选用生物质材料时，具有原料成本低廉、环保等优点。
[0032]本申请的第三方面，提供一种负极极片，所述负极极片包括本申请第一方面所述的碳材料或者根据本申请第二方面所述的制备方法制备得到的碳材料。
[0033]本申请的第四方面，提供一种二次电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳材料，其特征在于，所述碳材料具有孔道结构；所述碳材料通过液体探针测量法获得的相对于水的排气量为A，相对于乙醇的排气量为B；并且，A/B≥3。2.如权利要求1所述的碳材料，其特征在于，A/B的值为大于等于10。3. 如权利要求1所述的碳材料，其特征在于，B≤20 mL/g。4. 如权利要求3所述的碳材料，其特征在于，A≤160 mL/g。5. 如权利要求1~4任一项所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的X射线衍射谱中，002峰对应的2θ值为22
°
~24
°
；并且，在所述碳材料的拉曼光谱中，Id/Ig为1.0~1.4，其中，Id表示拉曼位移在1350
±
50 cm
‑1范围内的d峰强度，Ig表示拉曼位移在1580
±
50cm
‑1范围内的g峰强度。6.如权利要求1~4任一项所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的体积粒径Dv50为3~7μm，Dv90为9~18μm。7. 如权利要求1~4任一项所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的比表...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凯，许逸达，张欣欣，陈晓霞，刘犇，刘士坤，马宇，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：