【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池材料，具体而言，涉及一种碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、新能源行业的高速发展，技术革新日新月异，传统天然石墨、人造石墨负极材料难以适应新的电池体系，如在钠离子电池体系中，na与石墨形成化合物的形成能为正值，而其他碱金属均为负值，表明na-石墨化合物热力学不稳定，导致石墨几乎不储钠。因此，各种新型的碳材料逐渐开始在电池负极材料中得到应用。
2、硬碳材料内部存在的大量微孔，使其具有更高的比容量，但这也是硬碳负极材料的压实密度与首次库伦效率低的一个关键原因。现有技术通常使用喷雾干燥或者球磨方式造球，以取得碳材料的形貌优势，在粉末压实密度或振实密度上改善性能。其中球磨方式对物料表面具有机械破坏的不良影响，易造成bet过大，影响电池首次库伦效率。喷雾干燥方式为现有运用比较多的造球方法，易形成球形度高的形貌特征。然而，部分现有技术采用生物质为碳源，中间需增加酸洗、碱洗、水洗等工艺，导致工艺路线长、生产安全风险高。此外，采用淀粉等碳水化合物溶解后进行喷雾造球，还具有碳收率低、生产效率低、成本高等缺陷。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种碳材料及其制备方法和应用，该碳材料球形度极高，且粉末压实密度高，有利于提高后续加工性能。且该碳材料可以作为负极材料应用到锂离子和钠离子电池体系，适用性强。
2、本专利技术是这样实现的：
3、第一方面，本专利技术提供了一种碳材料，其为球状单颗粒，所述碳材料的球形度为0.89～0.98，所述碳
4、相比于现有碳材料，本专利技术提供的碳材料为球状单颗粒，形貌规则，球形度极高，且粉末压实密度高，有利于提高后续加工性能，从而提高采用该碳材料作为负极材料的电池的电化学性能。
5、在可选的实施方式中，该碳材料满足以下关系式：1.1≤(dv50/h+2/bet)≤2，其中，h为碳材料的xrd谱图上26°附近的(002)峰强度与在43°附近的(101)峰强度之比，dv50为通过激光衍射法测定的碳材料的平均粒径，单位为μm；bet为比表面积，单位为m2/g，所述关系式计算时dv50和bet仅取对应单位的数值。
6、在可选的实施方式中，该碳材料的h值为3.38～7.04，dv50为4～17μm，bet为1.2～3m2/g。
7、在可选的实施方式中，该碳材料的粉末压实密度为0.85～1.1g/cm3。
8、在可选的实施方式中，该碳材料为硬碳。
9、第二方面，本专利技术还提供了一种上述碳材料的制备方法，包括以下步骤：
10、将沥青粉末、分散剂和水混合形成悬浊液；
11、在第一预设温度下，将所述悬浊液采用超声雾化进行喷雾熔融球化，然后冷却；所述第一预设温度高于所述沥青粉末的软化点。
12、采用上述制备方法可以制得球形度高、压实密度高的碳材料，且制得的碳材料可同时在锂离子电池体系和钠离子电池体系中应用，适用性广。本专利技术所提供的制备方法仅使用水作为溶剂，制备过程安全且环保，原料来源广泛，且碳收率高。同时无需进行石墨化，所需能耗较低、生产成本低，适合大规模工业化生产，具有良好的推广应用前景。
13、在可选的实施方式中，超声雾化球化在惰性气体保护下进行，第一预设温度较沥青粉末的软化点高不超过70℃。
14、在可选的实施方式中，冷却通过将喷雾熔融球化的产物落入冷却液中实现，冷却步骤可有效避免颗粒粘连，从而确保得到高球形度的碳材料颗粒。
15、优选地，冷却液为水，即避免引入杂质，又有利于降低生产成本。
16、在可选的实施方式中，碳材料原料中的水、沥青粉末和分散剂的质量比为1:(0.4～0.5):(0.01～0.1)。
17、在可选的实施方式中，沥青粉末的软化点为220～280℃。
18、在可选的实施方式中，沥青粉末平均粒径为5～18μm。
19、在可选的实施方式中，分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇中的任一种或多种的混合，优选地，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
20、在可选的实施方式中，碳材料的制备方法还包括冷却后进行炭化的步骤。
21、优选地，炭化处理在惰性气体保护下进行。
22、在可选的实施方式中，碳材料的制备方法还包括炭化前在氧化性气氛下进行稳定化处理的步骤。
23、优选地，稳定化处理的步骤包括：通入空气，空气与物料的质量比为0.01～0.03l/g·min，以8～12℃/min升温至120～140℃，然后以1～2℃/min的速率升温至300～360℃，保温2～5h，获得粉末物料。
24、第三方面，本专利技术还提供了一种负极极片，其包括上述碳材料。
25、第四方面，本专利技术还提供了一种锂离子电池，其包括上述碳材料，或包括上述负极极片。
26、第五方面，本专利技术还提供了一种钠离子电池，其包括上述碳材料，或包括上述负极极片。
27、本专利技术具有以下有益效果：
28、本专利技术提供的碳材料为球状单颗粒，其形貌规则，球形度极高，且粉末压实密度高，颗粒粒径分布均匀，有利于提高后续加工性能，从而提高采用该碳材料作为负极材料的电池的电化学性能。该碳材料适用性强，既可以应用于钠离子电池负极材料中，也可以应用于锂离子电池负极材料中。
29、本专利技术提供的碳材料制备方法，采用雾化喷雾造球工艺，在自上而下喷雾过程中形成熔融态沥青，同时使用惰性气体保护，使用冷却水池进行冷却，避免颗粒粘连，可制备出球形度高的碳材料。该制备方法制得的球形碳材料表现出比非球形碳材料更高的振实密度、粉末压实密度，更低的bet，有利于改善材料加工性能，提高电化学性能。
30、本专利技术提供的碳材料制备方法所涉及的生产工艺简单，且仅使用水作为溶剂，干燥过程安全且环保；同时原料来源广泛，碳收率高；此外该制备方法无需石墨化步骤，所需能耗较低，制备成本低，适合大规模工业化生产。
31、本专利技术提供的碳材料应用于锂离子电池或钠离子电池中，可赋予锂离子电池或钠离子电池良好的首次库伦效率和克容量，应用前景良好。
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1.一种碳材料，其特征在于，所述碳材料为球状单颗粒，所述碳材料的球形度为0.89～0.98，所述碳材料的粉末压实密度为0.85～1.2g/cm3，所述碳材料通过XRD测定的(002)面的面间距d002为0.3614～0.3722nm。
2.如权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料满足以下关系式：1.1≤(Dv50/H+2/BET)≤2，其中，H为碳材料的XRD谱图上26°附近的(002)峰强度与在43°附近的(101)峰强度之比，Dv50为通过激光衍射法测定的碳材料的平均粒径，单位为μm；BET为比表面积，单位为m2/g，所述关系式计算时Dv50和BET仅取对应单位的数值。
3.如权利要求2所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的H值为3.38～7.04，Dv50为4～17μm，BET为1.2～3m2/g。
4.如权利要求1-3任一项所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的粉末压实密度为0.85～1.1g/cm3；
5.一种如权利要求1～4任一项所述的碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
6.如权
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述水、沥青粉末和分散剂的质量比为1:(0.4～0.5):(0.01～0.1)；
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括冷却后进行炭化的步骤；
9.一种负极极片，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的碳材料。
10.一种电池，其为锂离子电池或钠离子电池，其特征在于，所述电池包括如权利要求1～4任一项所述的碳材料或如权利要求9所述的负极极片。
...【技术特征摘要】
1.一种碳材料，其特征在于，所述碳材料为球状单颗粒，所述碳材料的球形度为0.89～0.98，所述碳材料的粉末压实密度为0.85～1.2g/cm3，所述碳材料通过xrd测定的(002)面的面间距d002为0.3614～0.3722nm。
2.如权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料满足以下关系式：1.1≤(dv50/h+2/bet)≤2，其中，h为碳材料的xrd谱图上26°附近的(002)峰强度与在43°附近的(101)峰强度之比，dv50为通过激光衍射法测定的碳材料的平均粒径，单位为μm；bet为比表面积，单位为m2/g，所述关系式计算时dv50和bet仅取对应单位的数值。
3.如权利要求2所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料的h值为3.38～7.04，dv50为4～17μm，bet为1.2～3m2/g。
4.如权利要求1-3任一项所...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁乐，蒋朝，刘东任，李辉，
申请(专利权)人：江西紫宸科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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