[发明专利]具有石墨化特性的无定型碳材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种属于具有石墨化特性的无定型碳材料及其制造方法。

背景技术

用于商品的锂离子电池的负极材料，目前通常使用的是具有石墨化特征的人造石墨或者改性的天然石墨，石墨类的负极材料具有较高的嵌锂容量。但是，石墨类的材料由于其层状结构，在锂离子脱嵌的过程中比较容易发生层结构的剥离，造成结构不稳定，电池寿命等受到影响；同时由于存在溶剂共嵌入导致石墨层剥离的情况，石墨类的负极也限制了包括丙烯碳酸酯类具有高介电常数的溶剂的使用。此外，由于石墨类材料的嵌锂电位比较接近于金属锂的电化学沉积电位，当锂离子电池被大电流充电时，或者在低温情况下充电时，经常容易形成锂表面沉积，破坏电池性能，甚至会产生锂枝晶进一步产生安全隐患。而后人们开始使用具有非石墨层状结构的无定型碳材料，包括低温碳化的硬碳和软碳，然则，当这些材料展现出较好的结构稳定性时，其可用的嵌锂容量通常又会比较低。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种结构稳定，充电性能优良，并具有较高可用嵌锂容量的具有石墨化特性的无定型碳材料及其制造方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种具有石墨化特性的无定型碳材料，它包括无定型碳基体，所述无定型碳基体内分布有石墨化的微晶区域。特别是，该具有石墨化特性的无定型碳材料用XRD方法测得具有d002峰；同时，当利用透射电镜对无定型碳进行观察时，可以看到无定型碳中间存在微区晶格条纹，为石墨化微区。

进一步的，所述具有石墨化特性的无定型碳材料内还含有过渡金属元素，所述过渡金属元素包括铁、钴、镍、铜、钪、钛、钒、铬、锰、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、钨、钽、铼、锇、铱中的任意一种或两种以上的组合。

所述具有石墨化特性的无定型碳材料中过渡金属元素的含量为0.1ppm-20wt%。

所述石墨化的微晶区域的尺寸为1nm-1μm。

优选的，所述具有石墨化特性的无定型碳材料的粒径为0.5-100μm。

如上所述具有石墨化特性的无定型碳材料的制造方法，其特征在于，该方法为：取含碳前驱体及过渡金属和/或含有过渡金属元素的化合物的超细粉末在水和/或有机溶剂中均匀混合形成均相分散体系，再于温度为150-300℃的环境中放置至干燥，而后以700-2000℃的高温条件烧制1h以上，其后冷却至室温，获得目标产物。

作为优选的方案之一，该方法中是将所述均相分散体系以0.2-2℃/分钟的升温速度升温至150-300℃，而后保温至脱除该均相分散体系中的水和/或有机溶剂。

作为优选的方案之一，该方法中是将均相分散体系经干燥处理后所获干燥后产物于保护性气氛或真空环境中以700-2000℃的高温烧制1h以上，再降温至室温后取出，继而获得目标产物的；

作为优选的方案之一，该方法中是将均相分散体系经干燥处理后所获干燥后产物以10-300℃/h的速度升温至700-2000℃，恒温1h以上，再以1-3000℃/h的降温速率降温至室温后取出，继而获得目标产物的。

所述含碳前驱体包括硬碳材料前驱体和/或软碳材料前驱体，所述硬碳材料前驱体至少选自葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素、淀粉、酚醛树脂、聚丙烯晴和环氧树脂中的任意一种，所述软碳材料前驱体至少选自石油、煤、沥青和聚氯乙烯中的任意一种，但均不限于此。

所述有机溶剂包括乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

作为一优选的实施方案，所述具有石墨化特性的无定型碳材料的制造方法包括以下步骤：

（1）配置均相分散体系：将含碳前驱体与过渡金属、过渡金属氧化物和过渡金属盐中的任意一种或两种以上的组合的超细粉末分散于水/或有机溶剂中，形成浓度为0.5-99wt%的均相分散体系；

（2）低温脱水和/或有机溶剂：将上述均相分散体系以0.2-2℃/分钟的升温速度升温至150-300℃，而后保温5h以上，并伴以搅拌，直至脱除该均相分散体系中的水和/或有机溶剂，形成干燥后产物；

（3）高温碳化：

将上述干燥后产物置于保护性气氛或真空环境中以700-2000℃的高温烧制1h～48h，再降温至室温后取出，获得目标产物；

或者，将上述干燥后产物以10-300℃/h的速度升温至700-2000℃，恒温1h～48h，其后以1-3000℃/h的降温速率降温至室温后取出，获得目标产物。

进一步的，所述具有石墨化特性的无定型碳材料的制造方法还包括如下步骤：