[发明专利]一种由硬碳材料制备的正极，包含该正极的储能装置，其用途以及一种正极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种储能材料和储能装置，具体涉及一种由硬碳材料制备的正极，包含该正极的储能装置、其用途以及一种正极的制备方法。

背景技术

随着人类社会对能源危机和环境问题的重视，人们对可充电的二次电池(即蓄电池)的研究和开发也给予越来越多的关注。目前，铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池以及电化学电容器等二次电池已被人们深入研究，并广泛应用。理想的二次电池应满足以下要求：高能量密度以可长时间供电，高安全性，低成本，可瞬间获取电力以及长寿命。

锂离子电池自上世纪90年代初商业化以来，因具有能量密度高、体积小等优势已成为人们日常生活不可缺少的一部分，取得了巨大的商业成功。其工作原理是依靠锂离子在正负极活性物质中不同的脱出-嵌入反应来进行能量的储存释放，充放电过程中锂离子在正负极之间穿梭流动，被形象地称为“摇椅电池”。其中，锂离子电池的正极材料为含锂的过渡金属氧化物，是电池中锂离子的提供者并在很大程度上决定着锂离子电池的能量密度、使用寿命及成本等性能。然而当电池充电至高电压时，锂离子从含锂的过渡金属氧化物正极材料(如钴酸锂，LiCoO₂)中脱出，使得正极材料的结构不稳定，易与电解液发生反应造成热失控引起燃烧等安全事故，存在安全隐患。此外，统计表明目前锂离子电池正极材料占电池成本的20％以上，这造成了商业化锂离子电池的成本偏高，挤压了电池的利润空间，限制了锂离子电池的进一步发展和应用。

目前为满足人们对高性能二次电池日益增长的需求，研究人员正不断开发各种新的适用于锂电池体系的正极材料和储能装置，包括各有优劣的锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等。

硬碳是指一种高温时也难以石墨化的碳材料，被研究人员视为一种很有前景的碳材料。其突出的特点是碳原子层高度无序，结构稳定且层间距较大， 有利于离子在碳层间的扩散，从而获得理想的电化学性能。常见的硬碳包括树脂碳，有机聚合物热解碳等。

专利《一种动力与储能锂离子电池及其制备方法》专利号：CN103441305A公布了一种动力与储能锂离子电池的制备方法，关键在于其负极活性物质包括软碳、硬碳、软碳和石墨的混合材料、硬碳和石墨的混合材料。然而该发明中的锂离子电池仍使用含锂的过渡金属氧化物为锂离子电池的正极，只是使用了硬碳材料等作为锂离子电池的负极。充电工作时，锂离子从含锂过渡金属氧化物正极材料中脱出嵌入到硬碳等负极活性物质中，与现有锂离子电池基于锂离子在正负极活性物质中的脱出-嵌入反应来进行能量的储存释放的工作原理完全一致，因此并未从根本上提高现有锂离子电池的安全性。

专利《一种高比能量有机体系的电容电池》专利号：CN101847516A公布了一种高比能量有机体系的电容电池，由正极、负极、介于两者之间的隔膜及有机电解液组成，其正极采用锂离子嵌入化合物和多孔碳材料的混合物，负极为硬碳，电解液采用含有锂离子的有机溶剂电解液。当其充电工作时，锂离子从锂离子嵌入化合物中脱出并吸附在硬碳负极以储存能量；反之，释放能量。此类电容电池具有高功率密度的优点，但是能量密度较低，且其正极材料仍为含锂的锂离子嵌入化合物，工作时锂离子在正极脱出-嵌入，仍存在高电压时的安全隐患和成本较高等问题。

在现有技术中，尚未见到有以硬碳作为正极材料的关于电池或者电容器的任何报道。

发明内容

技术问题

本发明的发明人经过试验，发现可以以硬碳作为正极材料，基于这一发现，提出了本发明。

本发明的目的之一在于提供一种新的硬碳正极材料，所述硬碳是指在高温下(2500℃)仍难以石墨化的材料。

本发明的另一个目的在于提供一种使用该正极材料制备的正极。

本发明的另一个目的在于提供一种包含该正极材料的电化学储能装置。

本发明的另一个目的在于提供硬碳在制备用于电化学储能装置的正极中的用途。

本发明的另一个目的在于提供一种电极制作方法，其特征在于，使用硬碳作为用于正极的材料。

技术方案

根据本发明的一个技术方案，其提供了一种用于电化学储能装置的正极，其包括硬碳作为正极活性物质，所述硬碳是指在高至2500℃下仍难以石墨化的材料；优选地，所述硬碳为树脂热解碳，包括酚醛树脂碳、环氧树脂碳、聚糠醇树脂碳、糠醛树脂碳等；有机聚合物热解碳，包括聚糠醇热解碳、聚氯乙烯热解碳等中的至少一种或者其混合物；优选所述正极还包括粘合剂、集流体、非必须的导电剂；