[发明专利]一种碳复合材料和其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳复合材料和其制备方法及应用。

背景技术

石墨类材料具有较低的放电平台、理论容量高(372mAh.g-1)及充放电效率高等优点，广泛用做储能装置的活性材料。但由于石墨类材料具有高度的晶化和取向度，使其在充电的过程中容易发生溶剂分子随锂离子共插进入石墨层间而引起石墨层的剥落，从而导致锂离子电池的循环性能的降低；及石墨表面碳原子具有大量的不饱和键，在首次充电时电解液会在石墨表面分解形成SEI(solid electrolyte interface)膜，使得首次不可逆容量较大，降低电池的循环效率。而无定形碳材料具有较宽的嵌锂电位和良好的锂离子扩散系数，与电解液相容性好，但其首次效率低下及放电电压滞后。现有技术广泛研究用无定形碳来包覆石墨类材料，避免有机溶剂与石墨片层的直接接触，避免溶剂分子与锂离子共插，同时降低石墨的比表面积，而且无定形碳本身乱层结构的原因，能够弥补石墨类材料在充放电时锂离子嵌入困难的问题，提高了材料的性能。

现有技术广泛应用的方法为先通过在石墨类材料的表面包覆一层有机物(如聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、酚醛树脂、糠醇树脂、环氧树脂、煤焦油沥青、石油焦等)，然后经过高温碳化得到表面包覆一层无定形碳的核-壳结构的碳复合材料。但此类方法得到的石墨表面包覆不均匀，同时碳复合材料很容易团聚在一起，需要经过破碎、分级等后续处理，破碎易对包覆层造成破坏等，包覆效果并不理想，批次的稳定性差等，同时制备的碳复合材料形貌也不完美，并不能满足现有发展的需求。

发明内容

本发明为了克服现有技术制备的碳复合材料的包覆层包覆不均匀，包覆效果不理想，且制备的碳复合材料的形貌也不完美的缺点，提供一种形貌更完美，包覆层包覆更均匀的碳复合材料。

碳复合材料包括核部分和壳部分，核部分包括石墨，壳部分包括无定形碳；其中碳复合材料的平均粒径为8～20μm(，层间距为比表面积为0.3～2.5m²/g。

本发明的另一个目的是提供一种上述碳复合材料的制备方法，步骤包括：

a、将石墨加入碳包覆前驱体水溶液中，混匀制得浆料；

b、将步骤a所得浆料经水热处理，后洗涤，干燥；

c、将步骤b所得产物在惰性气氛或真空条件下热处理，热处理包括碳化处理和石墨化处理。

进一步优选步骤包括

a、将石墨加入碳包覆前驱体水溶液中，混匀制得浆料；

b、将步骤a所得浆料经水热处理，后洗涤，干燥；

c、将步骤b所得产物在惰性气氛或真空条件下经碳化处理；

d、将步骤c所得产物加入碳包覆前驱体水溶液中，混匀；

e、将步骤d所得物质经水热处理，后干燥；

f、将步骤e所得产物在惰性气氛或真空条件下经碳化处理；

g、重复步骤d～f，0～20次；

h、将所得产物在惰性气氛或真空条件下经石墨化处理。

其中，每步中的碳包覆前躯体可以相同，也可以不同。重复步骤，本发明是指操作相同，物质可以相同，也可以不同。

本发明的发明人意外发现，在制备核-壳结构的碳复合材料时，以水为溶剂，将石墨和碳包覆前驱体混合后经水热处理，制备的碳复合材料不仅形貌完美，粒径均一，而且比表面积进一步降低，提高了材料的不可逆容量；同时制备的碳复合材料的包覆层更均匀，制备的碳复合材料的循环性能更优异；特别是经过水热处理后制备的碳复合材料的颗粒形貌可控，颗粒无团聚，不仅节约了破碎分级流程，节约了成本，而且制备的材料性能更优异。本发明进一步优选采用多次少量包覆，使碳复合材料的包覆效果更好，形貌更完美，材料的粒径更容易控制，大电流性能更好。

本发明制备的碳复合材料作为锂离子电池的负极活性材料不仅能够明显提高电池的大电流放电性能，而且能够提高电池的低温性能。

附图说明

图1为本发明实施例5制备的碳复合材料的扫描电镜图；

图2为本发明实施例5制备的碳复合材料的X晶体衍射图；

图3为本发明实施例5和比较例1制备的电池在-10℃环境中以0.5C的循环性能图；

图4为本发明实施例1、5和比较例1制备的电池的倍率放电图。

具体实施方式

本发明提供了一种碳复合材料，包括核部分和壳部分，核部分包括石墨，壳部分包括无定形碳；其中，碳复合材料的制备过程中包括水热处理，碳复合材料的平均粒径为8～20μm，层间距为比表面积为0.3～2.5m²/g。

本发明进一步提供了上述碳复合材料的制备方法，步骤包括：