[发明专利]一种改性非石墨类碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于充电电池技术领域，具体涉及一种改性非石墨类碳材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种改性非石墨类碳材料，包括掺杂碳载体和包覆在所述掺杂碳载体上的包覆碳；所述掺杂碳载体包括非石墨类碳和掺杂在所述非石墨类碳中的氮和/或磷。在本发明中，氮和/或磷的引入能明显提升碳材料的可逆容量，所述改性后的碳材料在锂电体系中的首次可逆容量在450mAh/g以上，所述改性后的碳材料在钠电体系中的首次可逆容量在350mAh/g以上。本发明提供的改性非石墨类碳材料作为负极材料，能够提高电池的能量密度。

技术领域

本发明属于充电电池技术领域，具体涉及一种改性非石墨类碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

充电电池(二次电池)由于具有良好的稳定性、高能量密度和无记忆效应的优点，被广泛应用于动力类和储能类电池领域。目前商用的二次电池的负极材料主要以石墨负极为主，但石墨负极的理论比容量较低，仅为372mAh/g，而且大倍率持续充放电能力和低温性能难以有效提高。

常见的非石墨类碳负极材料包括软碳、硬炭或活性炭，由于未经过石墨化处理，具有较大的层间距，因而表现出优异的倍率性能和低温性能。在制备过程中材料表面会产生大量的微孔，表面的微孔结构极易吸收水分，而且难以除去，水分含量的增加一方面会降低其比容量，同时也会消耗充放电过程的活性锂/钠离子，导致首次库伦效率降低。同时，非石墨类碳材料内部结构也会产生晶格缺陷，这些晶格缺陷会导致锂离子/钠离子在脱嵌过程中，不仅嵌入碳原子层间，还会嵌入到这些晶格缺陷中，造成不可逆的离子损失，从而进一步导致二次电池的能量密度偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性非石墨类碳材料及其制备方法和应用，本发明提供的改性非石墨类碳材料作为负极材料，能够提高电池的能量密度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种改性非石墨类碳材料，包括掺杂碳载体和包覆在所述掺杂碳载体上的包覆碳；

所述掺杂碳载体包括非石墨类碳和掺杂在所述非石墨类碳中的氮和/或磷。

优选的，所述掺杂碳载体和包覆碳的质量比为100：2～15；

所述氮和/或磷的质量占所述非石墨类碳质量的0.1～1％；

所述包覆碳位于所述掺杂碳载体的表面以及孔隙中。

本发明还提供了上述技术方案所述的改性非石墨类碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将非石墨类碳、掺杂原料和水第一混合，经水热反应，得到预处理碳载体；所述掺杂原料包括含氮化合物和/或含磷化合物；

将所述预处理碳载体进行烧结，得到掺杂碳载体；

将所述掺杂碳载体和碳包覆材料进行第二混合，依次经压制和煅烧，得到所述改性非石墨类碳材料。

优选的，所述含氮化合物包括碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵、磷酸二氢铵、聚磷酸铵、硝酸铵、氯化铵和醋酸铵中的一种或几种；

所述含磷化合物包括磷酸钠、磷酸钾、磷酸铵、磷酸二氢铵和聚磷酸铵中的一种或几种；

所述掺杂原料和非石墨类碳的质量比为1～20：100；

所述掺杂原料和水的质量比为0.5～5：100。

优选的，所述水热反应的温度为100～300℃，保温时间为1～10h；压力为1～7MPa。

优选的，所述烧结在空气或氮气的气氛中进行；

所述烧结的温度200～600℃，保温时间为2～10h。