[发明专利]一种高容量倍率型碳基复合材料、其制备方法及在锂离子电池的用途

说明书

本发明公开了一种碳基复合材料、其制备方法及用途。所述碳基复合材料包括微米级的软碳、微米级的硬碳、纳米活性物质、第一碳包覆层和第二碳包覆层，其中，所述第一碳包覆层包覆在纳米活性物质的表面，形成复合颗粒；所述复合颗粒分散在软碳、硬碳的表面，及第二碳包覆层中；所述第二碳包覆层包覆软碳、硬碳及复合颗粒。本发明的方法包括：1)对纳米活性物质进行碳包覆形成复合颗粒；2)将复合颗粒分散在软碳和硬碳表面，得到第一前驱体；3)使用有机物进行包覆改性；4)然后VC加热混合或混捏成型；5)高温烧结，得到复合材料。本发明的复合材料非常适合作为锂离子电池的负极活性物质，具有较高容量和首次充放电效率，而且倍率性能优异。

技术领域

本发明属于电池材料领域，涉及一种碳基复合材料、其制备方法及在锂离子电池的用途，特别涉及一种高容量倍率型碳基复合材料、其制备方法及包含其作为负极活性物质的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、工作电压高、循环寿命高等优点，在电动汽车领域有着广泛的应用前景。非晶质系碳材料易石墨化的软碳和难石墨化的硬碳由于其牢固稳定的大分子层面结构，锂离子在其中可快速脱嵌，具有出色的倍率性能而有望在电动汽车上得到应用。然而软碳克容量和首次库伦效率较低、硬碳材料首次库伦效率和压实密度较低，限制了其在锂离子电池上的应用。

硅等活性金属及其金属氧化物或金属合金化合物有着较高的比容量和首次库伦效率，然而，这些材料在一般都具有体积膨胀较大、循环寿命较差的缺点，虽然通过纳米化可以在一定程度上缓解膨胀提高循环寿命，但仍需进一步的优化。对纳米活性物质进行碳包覆可以提升纳米活性物质的导电性以及缓解其膨胀，将碳包覆纳米活性物质均匀分散在软碳和硬碳表面，二次粒子的形成可以缓解纳米活性物质膨胀的同时提升软碳硬碳的能量密度和首次库伦效率，同时硬碳和软碳的复合形成了优势互补，进一步提升了材料的能量密度。

CN103708437A公开了一种锂离子电池软碳负极材料、其制备方法，包括以下步骤：以软碳粉末为原料、依次经过预烧、纳米材料喷涂及碳层包覆过程而制得。虽然该方法提高了软碳材料的容量和首次库伦效率，由于纳米活性活性物质体积膨胀较大，无法进一步提升材料容量和效率。

CN103311522A公开了一种硅/碳复合微球负极材料及其制备方法：将配方量的硅粉、软碳、炭黑、可溶性含碳有机粘结剂与溶剂混合均匀得到浆料；将浆料经喷雾干燥、炭化后得到硅/碳复合微球负极材料。由于该方法使用的硬碳由可溶性含碳有机粘结剂经过炭化形成，内部具有孔隙结构，所以材料的首次效率较低，而且硅粉膨胀较大，循环性能较差。

因此，开发一种高容量、高首次充放电效率、同时具备优异的倍率性能的碳复合负极材料是本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高容量倍率型碳基复合材料、其制备方法及作为负极活性物质在锂离子电池的用途，所述碳基复合材料非常适合作为锂离子电池的负极活性物质，具有较高容量和首次充放电效率，而且倍率性能优异。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种碳基复合材料，所述碳基复合材料包括微米级的软碳、微米级的硬碳、纳米活性物质、第一碳包覆层和第二碳包覆层；其中，其中，所述第一碳包覆层包覆在纳米活性物质的表面，形成复合颗粒；所述复合颗粒分散在软碳、硬碳的表面，以及第二碳包覆层中；所述第二碳包覆层包覆软碳、硬碳及复合颗粒。

图1为本发明碳基复合材料的结构示意图。

本发明中，第二碳包覆层位于碳基复合材料的外部，包覆软碳、硬碳和复合颗粒。

本发明的碳基复合材料具有二次颗粒结构，微米级的软碳、微米级的硬碳、纳米活性物质、第一碳包覆层和第二碳包覆层共同构成微纳结构的碳基复合材料，通过第一碳包覆层和第二碳包覆层的配合作用，以及微纳结构的合理设计，可以显著提高容量发挥效果以及倍率性能。