[发明专利]硬碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硬碳负极材料及其制备方法和应用，所述方法包括：(1)将含碳原料进行预处理，以便得到硬碳前驱体；(2)将所述硬碳前驱体进行预锂化处理，以便得到固态的表面包覆有含锂物质的预锂化硬碳前驱体；(3)将所述预锂化硬碳前驱体与沥青进行包覆处理；(4)将步骤(3)所得的包覆后预锂化硬碳前驱体在惰性气氛下进行炭化处理，粉碎过筛除磁后得到硬碳负极材料。该硬碳负极材料制备成本较低，且在硬碳前驱体表面包覆有含锂物质和沥青，使得由该硬碳负极材料制备所得的电池的首次库伦效率不低于90％，倍率不低于98％，充放电可逆容量不低于480mAh/g。

技术领域

本发明属于负极材料领域，具体而言，本发明涉及硬碳负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着动力电池能量密度以及其他综合性能要求不断提高，天然石墨和人造石墨负极材料理论容量为372mAh/g，目前已经能做到365mAh/g，再提高负极容量已经比较困难。天然石墨和人造石墨负极材料已经很难满足高能量密度电池的要求，而硬碳因其具有较高的比容量、优异的循环、倍率以及低温性能，越来越受到重视。

硬碳是一种在高温下(≥2800℃)也很难石墨化的无定形碳，由石墨微晶以无定形结构交联堆积而成，其具有比石墨更大的002晶面层间距，更多的孔隙以及乱层结构，这使得硬碳能够存储更多的锂离子而具有较高比容量，并且也更有利于锂离子的快速嵌入和脱出，因此也就具有较优的倍率性能和低温性能。同时，由于硬碳具有比石墨更高的嵌锂电位，过充时不易析锂，安全性更高。但硬碳孔隙较多、表面粗糙、比表面积大，导致其副反应较多，存在较大的首次不可逆容量损失。首次不可逆容量损失消耗了大量电解液和正极材料中脱出的锂离子，导致较低的首次库仑效率，从而也使得电池放电容量较低。

现有技术公开了以植物提取物、树脂、沥青为前驱体，通过交联聚合、预碳化、碳化、粉碎等过程制备硬碳负极材料，再采用化学气相沉积法对制备的硬炭材料进行表面包覆改性，最终得到的硬炭材料首次库仑效率为84.69％，首次可逆容量为323.5mAh/g，但容量首效仍较低。

因此，现有硬碳负极材料有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种硬碳负极材料及其制备方法和应用。该硬碳负极材料制备成本较低，且在硬碳前驱体表面包覆有含锂物质和沥青，使得由该硬碳负极材料制备所得的电池的首次库伦效率不低于90％，倍率不低于98％，充放电可逆容量不低于480mAh/g。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备硬碳负极材料的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将含碳原料进行预处理，以便得到硬碳前驱体；

(2)将所述硬碳前驱体进行预锂化处理，以便得到固态的表面包覆有含锂物质的预锂化硬碳前驱体；

(3)将所述预锂化硬碳前驱体与沥青进行包覆处理；

(4)将步骤(3)所得的包覆后预锂化硬碳前驱体在惰性气氛下进行炭化处理，粉碎过筛除磁后得到硬碳负极材料。

根据本发明实施例的制备硬碳负极材料的方法，通过将含碳原料进行预处理，可将含碳原料中的杂质除去，并能使含碳原料转化为以无定形结构交联堆积而成的石墨微晶，同时，含碳原料来源广泛、成本低，有利于降低硬碳前驱体的制备成本；通过将硬碳前驱体进行预锂化处理，使得硬碳前驱体表面包覆含锂物质，含锂物质可在电池化成时负极界面形成SEI膜时被消耗掉，进而可避免形成SEI膜时消耗从电解液和正极材料中脱出的锂离子，进而可提高电池的容量和首次库伦效率；通过对预锂化硬碳前驱体与沥青进行包覆，因硬碳前驱体比表面积大，通过包覆可降低硬碳前驱体的比表面积，减少副反应，减小因形成过多的SEI膜所造成的不可逆损失以及溶剂分子的共嵌入而导致硬碳的层状剥离，进而提高首次库伦效率，延长电池循环寿命。