[发明专利]含硬碳材料的制备方法及其用途

说明书

本发明涉及一种用于制备具有100m²/g或更小的比表面积的含硬碳材料的方法，其包括使用一种或多种动物来源材料。

发明领域

本发明涉及某些含碳材料用以制备含硬碳材料的新的用途、一种用于制备含硬碳材料的新的方法、由此制备的含硬碳材料、含有这种含硬碳材料的电极和这种电极在例如储能装置如电池(尤其是可充电电池)、电化学装置和电致变色装置中的用途。

发明背景

钠离子电池在许多方面类似于现今常用的锂离子电池；它们都是包含阳极(负极)、阴极(正极)和电解质材料的可重复使用的二次电池，它们都能够储存能量，并且它们都经由类似的反应机制充电和放电。当钠离子(或锂离子)电池充电时，Na⁺(或Li⁺)离子从阴极脱嵌并嵌入阳极中。同时，电荷平衡电子从电池的阴极经过包含充电器的外部电路进入电池的阳极。在放电期间，发生相同的过程，但方向相反。

锂离子电池技术近年来已经备受关注，并且为现今使用的大多数电子装置提供了优选的便携式电池；然而，锂不是廉价的金属资源，并且被认为对于用于大规模应用太昂贵。相比之下，钠离子电池技术仍处于相对初期，但被视为有优势的；钠比锂丰富得多，并且一些研究者预测这将提供更便宜且更耐用的方式以将能量存储到将来，特别是对于大规模应用，如将能量存储在电网上。然而，在钠离子电池成为商业现实之前，仍有大量工作要做。

需要更多关注的一个领域是开发特别用于钠离子电池的新的阳极电极材料。

由于石墨形式的碳具有高的重量容量和体积容量，在一段时间以来作为锂离子电池中的阳极材料而受到青睐；石墨电极提供大于360mAh/g的可逆容量，与372mAh/g的理论容量相当。电化学还原过程涉及使Li⁺离子嵌入石墨烯层之间以产生LiC₆。然而，不幸地，石墨对钠的电化学活性小得多，这与钠具有比锂明显更大的原子半径的事实相结合，导致石墨阳极中石墨烯层之间的嵌入在钠离子电池中被严重限制。

另一方面，发现使用硬碳材料制成的阳极(如US2002/0192553A1、US9,899,665B2、US2018/0287153A1中所描述的)在钠离子电池中进展得更有利得多。硬碳具有无序结构，其克服了钠离子的许多嵌入问题。硬碳材料的确切结构仍有待解决，但一般而言，硬碳被描述为缺乏长程结晶有序性的不可石墨化碳材料。硬碳具有层，但是这些层在长距离上不是整齐堆叠的，并且它是微孔材料。在宏观水平上，硬碳是各向同性的。难以构建硬碳的通用结构模型的原因之一是详细结构、晶畴尺寸、碳层的分数和微孔取决于合成条件，如碳源和碳化温度。用于生产可以在用于二次电池应用的电极中使用的硬碳材料的通常方法涉及在无氧气氛中将富碳起始材料加热至大于500℃的温度，所述富碳起始材料如矿物，例如石油焦炭和沥青焦炭；次级植物基材料如蔗糖和葡萄糖；人造有机材料如聚合物烃和更小的有机化合物如间苯二酚甲醛；和原生植物来源材料如椰子壳、咖啡豆、稻草、竹子、稻壳、香蕉皮等。在当加热植物来源材料时的情况下，生成“生物炭”或生物质炭，其可以进一步被加工以获得硬碳材料。

本发明的目的是提供一种某些含碳起始材料用以制备含硬碳材料的新用途。进一步地，本发明的目的是提供一种用于制备含硬碳材料的新方法，其利用了某些含碳起始材料。该方法将具有成本效益，尤其是在商业规模上，将使用容易获得的材料并且将生成含硬碳材料，在其电化学性能方面以及还有在其纯度方面将至少匹配并且优选地超过已知的含硬碳材料。所得含硬碳材料将可用作用于储能装置如电池(尤其是二次(可充电)电池)、碱金属离子电池(包括钠离子电池)、电化学装置和电致变色装置的电极活性材料(特别是负极或阳极电极活性材料)。重要地，这些含硬碳材料将生成提供优异的首次放电比容量的储能装置，并展现出高的首次放电容量效率(库仑效率)，以在整个循环中从电池提取的总电荷与输入电池中的总电荷的比计算。