[发明专利]一种锂离子电池用改性硬炭微球负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用改性硬炭微球负极材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。 

背景技术

随着科技的发展，越来越多的电动车进入人们的生活中。而目前应用在电动车上的电池绝大多数是铅酸蓄电池，存在着循环寿命差，比能量低，自放电率高等缺点，而且随之产生的铅和硫酸都对环境产生一定的危害，空气污染在加剧，铅酸蓄电池已成为最危险的固体废弃物之一，更为环保的、能代替铅酸蓄电池的新型电池急需有待研发。 

锂离子电池由于其具有循环寿命长，能量密度高，比功率高，自放电小，无记忆效应，无环境污染等优点，被应用到越来越多的领域。 

目前市场上锂离子电池负极材料主要是石墨类材料，其理论放电比容量比较低(372mAh/g)，且在大电流密度条件下，石墨类材料的充放电性能较差。为此，人们一直在不断的研究各种碳材料，致力于提高锂离子电池的大电流充放电性能，同时提高电池循环特性与倍率特性。 

硬炭材料具有不发达的石墨网平面，微晶宽度La较小，堆叠层数Lc较小，结构排列紊乱（d₀₀₂大），较多的空孔结构为锂的贮存提供了良好的场所，使得硬炭具有很高的嵌锂容量，且其具有良好的循环和倍率性能。因此，与石墨相比，硬炭材料做锂离子电池负极材料在大电流下具有较好的快速充放电性能。 

目前，关于制备硬炭的研究大都涉及到三大类：生物质类(如：木材、椰壳等)、矿物类(如：煤、石油焦等)和合成聚合物类(如：酚醛树脂等)，由于矿物质资源的紧缺，以及合成聚合物的生产技术和原料来源问题，生物质类原材料因其来源广泛、成本低廉以及可再生性引起了研究者们的广泛关注。 

生物质类原材料的多种多样，以及制备方法的不同，导致所制备的硬炭材料的微观结构和其制备的扣式半电池的电化学性能也不同。专利CN102364727以膨胀石墨为模板，将淀粉基硬炭微球镶嵌入膨胀石墨空隙当中，形成空间导电网络，为电子的传导提供良好的通道，形成的复合材料在0.1C时放电容量为440～530mAh/g，且首次效率为77～85%，但其过程工艺繁琐，成本较高。专利CN01817830.3以蔗糖等为原料，利用水热法制备球形热解碳，可逆容量为430mAh/g，但其采用水热法，高温高压条件，对设备要求较高，安全性能较差。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种锂离子电池用改性及其制备方法；该方法简单易行，绿色环保，易于规模化工业生产；获得的硬炭微球负极材料比容量高，能在大电流下快速充放电，倍率性能和循环性能好。 

本发明提供一种锂离子电池用改性硬炭微球负极材料的制备方法，包括以下步骤： 

（1）以马铃薯淀粉为原料，硅溶胶为催化剂，将马铃薯淀粉和硅溶胶混合得到固液混合物；其中：硅溶胶中的纳米SiO₂占马铃薯淀粉及硅溶胶中的纳米SiO₂总重量的1-20%；

（2） 对步骤（1）得到的固液混合物进行充分搅拌或者超声震荡，使混合均匀；再于干燥箱中烘干，得到浸渍了催化剂的淀粉粉末；

（3）将步骤（2）得到的浸渍了催化剂的淀粉粉末加入到加热炉中，在惰性气氛下以0.1～5℃/分钟的升温速率升至230～300℃后，保温1～4小时，再以1～10℃/分钟的升温速率升至800～1600℃后，保温0.5～4小时，完成后在惰性气氛下冷却至室温，得到改性硬炭微球。

上述步骤（1）中，所述硅溶胶的质量百分比浓度为25%。 

上述步骤（2）中，所述搅拌是在20～80℃温度下以转速100～1500r/min搅拌10～300分钟。 

上述步骤（2）中，所述超声震荡是在20～40℃温度下，以200～500w的功率进行震荡60～300分钟。 

上述步骤（2）中，所述干燥箱烘干是于50～100℃温度下烘干12～24小时。 

上述步骤（3）中，所述加热炉为管式炉、箱式炉或者转炉。 

上述步骤（3）中，所述惰性气氛为氮气气氛、氩气气氛或者氦气气氛。 

本发明还提供一种锂离子电池用改性硬炭微球负极材料，所述改性硬炭微球比表面积为1～100m²/g，平均颗粒粒径为60～85μm，晶面层间距d₀₀₂为0.35～0.45nm。 

本发明的有益技术效果在于：