[发明专利]一种具有高倍率性能的硼掺杂改性的硬碳包覆负极材料及其液相制备方法

说明书

本发明涉及锂电池领域，公开了一种具有高倍率性能的硼掺杂改性的硬碳包覆负极材料及其液相制备方法。本发明是以硬碳碳源在炭化后于负极基材表面形成硬碳碳层，以硼氧化合物在高温下分解产生氧化硼，在高温下在负极基材表面形成硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。一方面，硬碳相比与其他负极材料有较大的层间距，具有较好的倍率充放电性能，通过硬碳包覆，能够提高负极材料的大倍率充放电性能。另一方面，通过将硼掺入负极材料中，由硼原子取代其他负极材料中碳原子在晶格中的位置，而硼原子本身相比与碳原子有更大的原子半径，导致负极材料的层间距增大，从而增大材料的倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种具有高倍率性能的硼掺杂改性的硬碳包覆负极材料及其液相制备方法。

背景技术

近年来，随着对电动大巴、手机快充锂电池等动力类电池储能设备的需求不断增长，能源领域特别是锂离子电池和超级电容器吸引了人们的广泛关注。目前工业上广泛应用的锂离子电池负极材料是石墨碳材料，目前对高倍率负极材料的充电倍率要求通常为4C或者5C充放电，动力大巴类的动力类储能电池甚至会要求负极材料能够满足10C、20C乃至更高倍率的脉冲充放电。

石墨负极材料具有优异的导电性、良好的化学稳定性，是作为锂离子电池活性材料的理想碳基体。但石墨材料的倍率性能一般，难以满足过高倍率充放电的要求。目前高倍率动力类锂电池使用的负极材料主要是硬碳材料，但硬碳本身成本较高价格昂贵，且首效过低，容量较低，难以大规模应用。

因此，有必要开发出更多新的具有出色高倍率性能的锂离子负极材料。

发明内容

本发明为了简化负极材料的制备方法，能够有效的提高负极材料的倍率性能，提供了一种具有高倍率性能的硼掺杂改性的硬碳包覆负极材料及其液相制备方法。主要是通过选用硬碳碳源，硼化合物作为掺杂剂，通过硬碳碳源在高温下分解，在负极基材表面形成一层硬碳碳层，硼化合物在高温下分解产生氧化硼，氧化硼在高温条件下与硬碳碳层和负极材料表面的碳进行复合，形成硼碳键和硼碳氧键，取代负极材料晶格中部分碳原子的位置，形成非金属元素掺杂改性高倍率负极材料。

本发明的具体技术方案为：一种具有高倍率性能的硼掺杂改性的硬碳包覆负极材料，具有核壳结构，核材料为负极基材，壳材料为包覆于负极基材表面的由硬碳碳源为前驱体形成的硬碳层；负极基材表面和硬碳层上还掺杂有由硼化合物为前驱体形成的硼元素；负极材料制备过程中，所述硼化合物、硬碳碳源和负极基材的质量比为0.1～15∶1～30∶100。

本发明以硬碳碳源作为包覆剂，在高温下炭化，在负极基材表面形成硬碳碳层，以硼化合物为掺杂剂，通过硼化合物在高温下分解产生氧化硼，控制氧化硼与硬碳层以及负极基材表面进行反应，并在高温下在负极基材表面形成硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。

本发明材料的结构特征在于负极基材表面包覆了一层硬碳，而且负极表面由原本的缺陷状态形成了一层硬碳以及硼碳键、硼碳氧键等复合结构。

一方面，硬碳相比与其他负极材料有较大的层间距，因而具有较好的倍率充放电性能，通过硬碳包覆，能够提高负极材料的大倍率充放电性能。

另一方面，通过将硼掺入负极材料中，由硼原子取代其他负极材料中碳原子在晶格中的位置，而硼原子本身相比与碳原子有更大的原子半径，导致负极材料的层间距增大，从而增大材料的倍率性能。

虽然在现有技术中的确已经有公开对锂电池负极材料进行碳包覆以及硼掺杂，但是其目的并非在于改善负极材料的高倍率性能，而是普遍在于提升负极材料容量、循环性能等，与本发明所要解决的技术问题以及原理并不相同。而所要解决的技术问题的不同，会直接导致在设计技术方案时的侧重点。关注点不同，例如材料选择、材料配比以及工艺参数等等，都会产生巨大的差异，因此本发明与现有技术中的硬碳包覆负极材料以及硼掺杂负极材料的技术方案并不具有很高的可比性。

作为优选，所述硼化合物、硬碳碳源和负极基材的质量比为0.5～5∶5～15∶100。