[发明专利]包含效率增强剂的高容量硬碳材料

说明书

本申请公开了包含效率增强剂的高容量硬碳材料。硬碳材料在许多电气装置中例如在锂离子电池中发现实用性。还公开了用于制造所公开的碳材料的方法。

本申请是申请日为2014年06月12日，申请号为201480042160.0，发明名称为“包含效率增强剂的高容量硬碳材料”的申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及新颖的聚合物材料、自其衍生的硬碳材料、以及用于制造其的方法和包含其的装置。

背景技术

基于锂的电存储装置具有代替当前用于许多应用中的装置的潜力。例如，当前的铅酸汽车电池对于下一代纯电动车和混合动力车是不适当的，这归因于放电期间的不可逆的、稳定的硫酸盐形成。锂离子电池由于其容量以及其他考量而对当前使用的基于铅的系统是可行的可选物。碳是锂二次电池和混合锂离子电容器(LIC)两者中使用的主要材料之一。碳阳极通常通过称作嵌入的机理将锂存储在分层的石墨片之间。传统的锂离子电池包括石墨碳阳极和金属氧化物阴极；然而，这样的石墨阳极通常遭受低功率特性和有限的容量。

硬碳材料已经被提议用于锂离子电池中，但是已知的硬碳材料的物理和化学性质对于用作基于锂的电池中的阳极并不是最佳的。因此，包含已知的硬碳材料的阳极仍旧遭受有限容量和低的第一循环效率的许多缺点。具有针对基于锂的电池中的使用所优化的性质的硬碳材料被期望解决这些不足并且提供其他相关优势。

尽管在本领域中已经做出明显的进展，但是在本领域中继续有用于电能存储装置(例如，锂离子电池)中的改进的硬碳材料，以及用于制造该改进的硬碳材料的方法和包含该改进的硬碳材料的装置的需求。本发明实现了这些需求并且提供了另外有关的优势。

简述

在一般术语中，本发明涉及新颖的聚合物材料、和自其衍生的新颖的硬碳材料，所述新颖的硬碳材料展现出优化的锂存储性质和应用性质。新颖的聚合物材料在性质上是有机的并且包含效率增强剂，例如磷。新颖的碳材料发现了在许多电能存储装置例如作为在基于锂的电能存储装置(例如，锂离子电池)中的电极材料中的应用。包含碳材料的电极展现出高的可逆容量、高的第一循环效率、高的功率特性或其任何组合。本发明人已经发现，这样的改进的电化学特性至少部分地与碳材料的物理和化学性质例如表面积、孔结构、结晶度、表面化学、化学组成和如本文更详细讨论的其他性质有关。最终的碳性质的具体调节可以通过精细控制起始聚合物材料和/或通过修改碳化工艺来实现。此外，某些电化学改性剂可以被结合在碳材料的表面上和/或碳材料中以进一步调整期望性质。

因此，在一个实施方案中，本发明提供了基于聚[(苯酚缩水甘油醚)-(共-甲醛)]和磷酸的新颖的聚合物材料，最初该聚[(苯酚缩水甘油醚)-(共-甲醛)]和磷酸在混合之后反应并且在加热时在约250℃下展现出放热事件，并且在非氧化气氛的存在下在进一步加热之后产生了新颖的热解的碳材料。在一个实施方案中，新颖的碳材料具有小于50m²/g的表面积和大于1wt％的磷，其中当碳材料被结合至基于锂的能量存储装置的电极中时，碳材料具有大于50％的第一循环效率和至少200mAh/g的可逆容量。在某些特定的实施方案中，基于锂的电能存储装置是锂离子电池或锂离子电容器。

在其他实施方案中，本发明提供了一种碳材料，该碳材料包括小于50m²/g的表面积和大于1.4:6的比锂吸收容量(specific lithium uptake capacity)。例如，在某些实施方案中，比表面积小于25m²/g或甚至小于10m²/g。

在前述的实施方案的某些中，碳材料包含相对于碳材料中的全部组分的总重量的按重量计1％至4％的磷。例如，在某些实施方案中，碳材料包含相对于所述碳材料中的全部组分的总重量的按重量计4％至20％的磷。