[发明专利]一种硬碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种硬碳复合材料及其制备方法和应用。本发明的硬碳复合材料具有核壳结构，内核包括掺杂有氮元素的硬碳，外壳包括含磷化合物；所述内核的质量为所述外壳的质量的1％～10％。本发明硬碳复合材料的内壳掺杂氮元素以提升复合材料的导电率；外壳中掺杂含磷化合物，依靠磷元素自身的高比容量提升复合材料的比容量及其首次效率，同时通过外壳含磷化合物的包覆降低内核多孔结构的比表面积，降低硬碳复合材料的整个比表面积。通过内核和外壳的搭配，得到的硬碳复合材料具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种硬碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

硬碳是高分子聚合物的热解碳，其难以被石墨化，它具有相互交错的层状结构，从而使锂离子能够从各个角度嵌入和脱出，从而大大提高了充放电的速度；与石墨材料相比，其低温性能和倍率性能也有明显的改善。但是硬碳材料一般比容量偏低，首次效率低，同时硬碳材料也往往存在电极电位过高、电位滞后、首次不可逆高等缺点，使其大规模应用受到限制。而掺杂改性是提升材料比容量、降低阻抗的措施之一，但现有技术中的硬碳改性材料存在倍率提升幅度较小，电压平台高，首次效率低，同时循环性能有待改善的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明涉及一种硬碳复合材料，所述硬碳复合材料具有核壳结构，所述硬碳复合材料的内核包括掺杂有氮元素的硬碳，所述硬碳复合材料的外壳包括含磷的化合物；

所述内核的质量为所述外壳的质量的1％～10％。

本发明提供一种硬碳复合材料，以解决现有技术中硬碳复合材料的倍率提升幅度较小，电压平台高，首次效率低，循环性能不佳的问题。本发明通过掺杂有氮元素的硬碳内核和包含含磷化合物的外壳配合，以提升复合材料的比容量和功率性能。

根据本发明的另一个方面，本发明还涉及如上所述的硬碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将碱性磷盐化合物、粘结剂、溶剂B与内核前驱体材料的混合物进行碳化处理；

所述内核前驱体材料的制备方法包括：将树脂类原料、氮源、添加剂和溶剂A的混合物进行研磨和干燥，干燥后的所得物在含有氧气的气氛中进行加热处理。

本发明中硬碳复合材料的制备方法简单易行，得到的复合材料具有优异的导电率，可提高锂离子电池的循环性能和倍率性能。

根据本发明的另一个方面，本发明还涉及一种负极，包括如上所述的硬碳复合材料。

本发明的负极可赋予锂离子电池较高的比容量、首次效率。

根据本发明的另一个方面，本发明还涉及一种锂离子电池，包括如上所述的负极。

本发明的锂离子电池具有优异的比容量、首次效率、循环性能和倍率性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明硬碳复合材料的内壳掺杂氮元素以提升复合材料的导电率，同时由于内核和外壳是通过化学键相连接，降低其阻抗，降低充放电电压平台，间接提升材料的比容量；外壳中掺杂含磷化合物，依靠磷自身的高比容量提升材料的比容量及其首次效率，同时通过外壳含磷化合物的包覆降低内核多孔结构的比表面积，降低硬碳复合材料的整个比表面积。通过内核和外壳的搭配，得到的硬碳复合材料具有优异的电化学性能。

(2)本发明中硬碳复合材料的制备方法简单易行，得到的复合材料具有优异的导电率，可提高锂离子电池的循环性能和倍率性能。

(3)本发明的负极可赋予锂离子电池较高的比容量、首次效率。

(4)本发明的锂离子电池具有优异的比容量、首次效率、循环性能和倍率性能。

附图说明