[发明专利]具有多层核壳结构的硬碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明实施例涉及一种具有多层核壳结构的硬碳负极材料及其制备方法和应用，所述硬碳负极材料的尺寸范围在1～50um，由硬碳内核、硬碳中间层和碳包覆层多层结构构成；所述硬碳内核为以葡萄糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉聚偏氟乙烯、酚醛环氧树脂或聚氯乙烯中的一种或几种组合为碳化前驱体制备的硬碳材料；尺寸范围在1um～40um，拉曼光谱Id/Ig范围在0.7～0.9；所述硬碳中间层为硬碳多孔氧化层，孔隙率在1％～80％，孔隙大小为0.005um～2um，拉曼光谱Id/Ig范围在0.8～1.5；所述碳包覆层由气相法、液相法或固相法制备得到，拉曼光谱Id/Ig范围在0.7～1.3；所述硬碳负极材料中，按照所占质量分数，硬碳内核：硬碳中间层：碳包覆层＝(0，100％]：(0，50％]：(0，30％]。

技术领域

本发明涉及硬碳负极材料领域，尤其涉及一种具有多层核壳结构的硬碳负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，碳材料作为负极材料已经被广泛应用于锂离子电池之中。

碳负极材料主要有人造石墨、天然石墨、碳纳米管，硬碳等多种碳材料，其中硬碳材料作为一种无定型碳，具有较高的可逆容量，理论上达到700mAh/g～1000mAh/g，远超石墨化碳的理论容量372mAh/g，且硬碳的无规则结构，能够保障充放电过程中的结构稳定，使锂电池能够具有较长的循环寿命，且具有较好的倍率性能。

但目前而言，硬碳材料存在首效较低，可逆容量较低(200mAh/g～400mAh/g)，电压存在滞后等问题，阻碍了硬碳材料的进一步应用。

业内也有提出用碳包覆硅材料作为负极材料提升性能，但碳包覆的主要作用是抑制硅材料在脱嵌锂过程中体积的膨胀收缩，从而解决了容量衰减快的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多层核壳结构的硬碳负极材料及其制备方法和应用。与现有技术相比，本发明具有核壳结构的硬碳负极材料，内核为硬碳材料，通过表面氧化处理形成硬碳中间层，该硬碳中间层为硬碳多孔氧化层，具有多孔隙结构，同时含有大量含氧官能团。多孔隙结构氧化层的存在，缩短了锂离子传输距离，有利于锂离子向硬碳内核内部扩散，同时其本身孔隙结构和附带的大量含氧官能团也能够提供部分储锂容量。硬碳多孔氧化层的存在极大提高了硬碳材料的嵌锂容量。本发明的多层核壳结构全部为碳结构，不需要考虑体积膨胀问题，致密的碳包覆层外壳极大的减少了比表面积，通过碳包覆层的保护作用，减少不可逆容量，提高了硬碳首周效率。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种具有多层核壳结构的硬碳负极材料，所述硬碳负极材料的尺寸范围在1～50um，由硬碳内核、硬碳中间层和碳包覆层多层结构构成；

所述硬碳内核为以葡萄糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉聚偏氟乙烯、酚醛环氧树脂或聚氯乙烯中的一种或几种组合为碳化前驱体制备的硬碳材料；尺寸范围在1um～40um，拉曼光谱Id/Ig范围在0.7～0.9；

所述硬碳中间层为硬碳多孔氧化层，孔隙率在1％～80％，孔隙大小为0.005um～2um，拉曼光谱Id/Ig范围在0.8～1.5；

所述碳包覆层由气相法、液相法或固相法制备得到，拉曼光谱Id/Ig范围在0.7～1.3；

所述硬碳负极材料中，按照所占质量分数，硬碳内核：硬碳中间层：碳包覆层＝(0，100％]：(0，50％]：(0，30％]。

第二方面，本发明提供了一种上述第一方面所述的具有多层核壳结构的硬碳负极材料的制备方法，包括：

将碳化前驱体进行水热处理后，进行洗涤过滤至滤液透明无色，再进行干燥；所述碳化前驱体包括：葡萄糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉聚偏氟乙烯、酚醛环氧树脂或聚氯乙烯中的一种或几种组合；