[发明专利]一种硬碳负极材料、锂离子电池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、锂离子电池及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：步骤(1)，碳源前驱体粉体与添加剂经交联反应，制得改性碳源前驱体；添加剂包括交联剂、改性剂和分散助剂；步骤(2)，将改性碳源前驱体依次经热处理、降温、与富锂剂混合后，制得改性硬碳前驱体；步骤(3)，将改性硬碳前驱体经真空碳化，即得硬碳负极材料。本发明制得的硬碳负极材料属于典型的无定型炭，热解收率高，其作为负极材料制备得到的锂离子电池的首次可逆容量高，首次库伦效率高，且性质稳定，批次一致性良好。

技术领域

本发明涉及一种硬碳负极材料、锂离子电池及其制备方法和应用。

背景技术

现阶段负极材料应用较为广泛的是碳类材料，其中以天然石墨和人造石墨为主；但是，由于石墨理论容量低，一般为372mah/g左右，而且传统石墨类负极材料与电解液的相容性较差，在充放电过程中易发生溶剂离子的共嵌入而破坏结构，影响石墨负极材料的循环稳定性和库伦效率，尤其是降低石墨负极的倍率性能，不能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力。与石墨相比，硬碳具有各向同性的结构特征，微观结构呈非晶态，层间距较大，有助于锂离子的快速扩散，具有优异的循环性能、倍率性能和安全性，使其在动力型锂离子电池方面再次受到关注。

硬碳是指2500℃高温条件下依然难以石墨化的炭，是高分子聚合物的热解碳；目前，用于制备硬碳的碳源前驱体主要包括热塑性高分子材料和生物质等。其中，生物质具有来源广泛，价格低廉等优点，但是由于其自身性质的不稳定，导致制得的硬碳负极材料的性质不稳定，而且采用生物质制备硬碳负极材料还存在灰分高、残炭率低和收率低等缺陷。而热塑性高分子材料不仅来源广泛，价格相对较低廉，还具有性质稳定，可以自行制作不同规格的样品，热解收率高等优点，这是生物质材料无法达到的。

由于硬碳具有短程有序，长程无序的特殊碳层结构，更加有利于锂离子的进出，所以硬碳负极材料具有很高的理论比容量和优异的倍率性能；但是硬碳负极材料存在可逆容量低和首次库伦效率低等缺点。

因此，如何开发一种碳源前驱体来源稳定，且可逆容量高、首次库伦效率高的硬碳负极材料具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中硬碳负极材料具有可逆容量低，首次库伦效率低等缺点，而提供一种硬碳负极材料、锂离子电池及其制备方法和应用。本发明硬碳负极材料属于典型的无定型炭，热解收率高，其作为负极材料制备得到的锂离子电池的首次可逆容量高，首次库伦效率高，且性质稳定，批次一致性良好。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。

本发明提供一种硬碳负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

步骤(1)，碳源前驱体粉体与添加剂经交联反应，制得改性碳源前驱体；所述添加剂包括交联剂、改性剂和分散助剂；

步骤(2)，将所述改性碳源前驱体依次经热处理、降温、与富锂剂混合后，制得改性硬碳前驱体；

步骤(3)，将所述改性硬碳前驱体经真空碳化，即得硬碳负极材料。

步骤(1)中，所述碳源前驱体粉体的中值粒径D₅₀可为3-15μm，较佳地为5μm。所述碳源前驱体粉体的最大粒径D_max可为小于70μm。

步骤(1)中，所述碳源前驱体粉体可为原料碳源前驱体经粉碎分级处理制得。

其中，所述粉碎分级处理可为本领域常规，较佳地为气流粉碎分级和/或机械粉碎分级。

所述原料碳源前驱体可为本领域常规的含碳元素、氢元素和氧元素等的热塑性高分子材料，较佳地为煤沥青、石油沥青和改性古马隆树脂中的一种或多种，更佳地为石油沥青。

所述原料碳源前驱体的软化点较佳地为大于200℃，更佳地为大于250℃。