一种改性硬碳负极材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于电池技术领域，具体涉及一种改性硬碳负极材料及其制备和应用

【技术实现步骤摘要】
一种改性硬碳负极材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种改性硬碳负极材料及其制备和应用
。

技术介绍

[0002]锂离子电池（
LIB
）因其在能量密度
、
功率密度和循环寿命等方面的优势，已成为主要的化学电源
。
然而，锂资源分布不均会给锂离子电池原材料供应链带来风险，尤其是在用于固定式储能方面
。
钠离子电池（
SIBs
）由于具有丰富的钠资源和相同的摇椅储存机制，被认为是
LIBs
的重要的备选的二次电池
。
但是由于
Li
和
Na
之间的差异较大
。
钠离子（
0.102nm
）半径大于锂离子（
0.076nm
），导致扩散动力学缓慢
。
迄今为止，人们一直致力于探索
SIBs
的正极材料，包括层状过渡金属氧化物
、
普鲁士蓝类似物和多阴离子化合物
。
[0003]然而，高性能负极材料的研究仍处于起步阶段
。
硬碳（
HC
）是一种可行的嵌入式钠离子负极材料，其成本低
、
资源丰富
、
无毒
、
良好的导电性，且具有丰富的微晶结构
、
低嵌入的电位（
~0.1V
）等优点，不仅有利于吸收更多的
Na
+
，而且有利于
Na
+
的嵌入和脱嵌
。
但是到目前为止，硬碳（
HC
）的发展和应用因低初始库仑效率（
ICE
）和低电化学容量而受到限制
。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种改性硬碳负极材料及其制备和应用，能够改善初始库仑效率，并且提高电化学倍率性能
。
[0005]按照本专利技术的技术方案，所述改性硬碳负极材料的制备方法，包括以下步骤，
S1
：对第一碳源和第二碳源的混合物进行加热处理，得到混合碳源；所述第一碳源选自淀粉
、
糊精
、
蔗糖
、
果糖
、
葡萄糖
、
酚醛树脂
、
环氧树脂
、
脲醛树脂
、
聚乙烯吡咯烷酮和聚酰胺酸中的一种或多种；所述第二碳源为氧化处理过的石墨化碳材料；
S2
：将步骤
S1
得到的混合碳源进行快速降温处理，得到成型混合碳源；
S3
：在非活性气氛条件下，对步骤
S2
得到的成型混合碳源进行碳化处理，得到硬碳材料；
S4
：对步骤
S3
得到的硬碳材料进行溴化处理，得到改性硬碳材料；
S5
：将改性硬碳材料在加热条件下，通入含碳气体，进行碳沉积，得到表面为碳沉积层的改性硬碳材料，即所述改性硬碳负极材料
。
[0006]具体的，所述步骤
S1
中，第一碳源形成聚合物中间体，第二碳源形成石墨中间体，所得混合碳源为内嵌了石墨中间体的聚合物中间体；所述步骤
S2
中，经过降温聚合物中间体与石墨中间体结合更为紧密，形成成型混合碳源；所述步骤
S3
中，经碳化处理聚合物中间体形成非晶碳（有序度低
、
缺陷程度高），碳化处理过程中，非晶碳临近石墨中间体的部分被诱导形成类石墨化碳；所得硬碳材料是一种非晶碳为主体，内部嵌有石墨，且石墨表层为类石墨化碳的材料；
所述步骤
S4
中，溴化处理在硬碳材料的表层（非晶碳）形成微孔结构（溴空位），得到改性硬碳材料；所述步骤
S5
中，含碳气体沉积在改性硬碳材料表面，得到改性硬碳负极材料；含碳气体的沉积导致大的孔隙或者缺陷被覆盖，并收紧得到大小一致的孔隙，降低了大的孔隙或者缺陷消耗的电解液中的钠离子，从而能够提高钠离子嵌入量，容纳更多钠离子，进而提高
ICE
和容量
。
[0007]进一步的，所述第一碳源和第二碳源的质量比为
100
：
0.1~30
，其中，第二碳源过少没有诱导非晶碳形成类石墨化的作用，过多影响硬碳本身的性能
。
[0008]进一步的，所述氧化处理过的石墨化碳材料由石墨化碳材料经氧化剂处理后得到，所述氧化剂选自硝酸
、
硫酸
、
过硫酸铵
、
过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或多种；所述石墨化碳材料选自石墨
、
石墨炭微球
、
隐晶质石墨
、
晶质石墨
、
块状石墨和石墨烯中的一种或多种
。
[0009]进一步的，所述氧化剂的用量为石墨化碳材料质量的
0.5~2
倍，氧化剂处理的温度为
40~90℃
，时间为
30min~8h。
[0010]具体的，所述第二碳源（氧化处理过的石墨化碳材料）的制备方法可以如下：将石墨化碳材料置于含氧化剂的溶液（氧化剂浓度可以为
0.2~38wt%
）中，
40~90℃
反应
30min~8h
，再进行洗涤
、
干燥，得到所述第二碳源
。
[0011]进一步的，所述石墨化碳材料由针状焦
、
石油焦
、
等方焦等高温石墨化得到，石墨化碳材料的长度为
0.01~100
μ
m
，宽度为
0.001~50
μ
m。
[0012]进一步的，所述步骤
S1
中，所述热处理在搅拌的条件下进行，搅拌的转速是
60 rpm~480rpm
，搅拌的时间为
10min~5h
；热处理温度为
120~400℃
，升温速率为
2~20℃/min。
[0013]进一步的，所述步骤
S2
中，快速降温处理为在
2h~4h
的降温时间内降至
15℃
以下，得到任一块状
、
片状
、
球状等成型混合碳源
。
[0014]进一步的，所述非活性气氛选自氮气
、
氦气
、
氖气和氩气中的一种或多种
。
[0015]进一步的，所述步骤
S3
中，碳化处理时间为
30min~8h
；碳化处理温度为
1000~1800℃。
[0016]进一步的，所述步骤
S4<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种改性硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1
：对第一碳源和第二碳源的混合物进行热处理，得到混合碳源；所述第一碳源选自淀粉
、
糊精
、
蔗糖
、
果糖
、
葡萄糖
、
酚醛树脂
、
环氧树脂
、
脲醛树脂
、
聚乙烯吡咯烷酮和聚酰胺酸中的一种或多种；所述第二碳源为氧化处理过的石墨化碳材料；
S2
：将步骤
S1
得到的混合碳源进行快速降温处理，得到成型混合碳源；
S3
：在非活性气氛条件下，对步骤
S2
得到的成型混合碳源进行碳化处理，得到硬碳材料；
S4
：对步骤
S3
得到的硬碳材料进行溴化处理，得到改性硬碳材料；
S5
：将改性硬碳材料在加热条件下，通入含碳气体，进行碳沉积，得到所述改性硬碳负极材料
。2.
如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一碳源和第二碳源的质量比为
100
：
0.1~30。3.
如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述石墨化碳材料选自石墨
、
石墨炭微球
、
隐晶质石墨
、
晶质石墨
、
块状石墨和石墨烯中的一种或多种
。4.
如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
中，所述热处理在搅拌的条件下进行，搅拌的转速是
60 rpm~480rpm
，搅拌的时间为
10min~5h
；热处理温度为
120~400℃
，升温速率为
2~20℃/min。5.
如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟应声，刘娇，张浩，韩定宏，江柯成，
申请(专利权)人：江苏正力新能电池技术有限公司，
类型：发明
国别省市：