[发明专利]一种硬碳负极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种硬碳负极材料的制备方法，其包括如下步骤：将骨料和软化点为200～280℃的沥青在300～380℃下进行混捏，得到混合料；将所述混合料进行成型后，于400～500℃下进行炭化，得到前驱体；将所述前驱体进行破碎后，在900～1400℃下进行炭化，得到所述硬碳负极材料。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：在混捏锅内可以使空气和沥青充分混合均匀，产生均匀的交联反应，通过氧化改性，增加了沥青表面的含氧官能团，为炭化产生均匀和大量的储锂孔创造了优越的条件。

技术领域

本发明涉及一种解决大功率充放电的问题的硬碳负极材料，为未来纯电动汽车、混合动力汽车、空间技术等高端储能系统的理想电源。

背景技术

随着化石燃料的日益枯竭，能源危机已成为全球关注的焦点，因此新能源的发展目前均列入各国摆脱经济衰退、抢占未来发展制高点的重要战略产业。在新能源领域中，锂离子电池因其能量密度高、功率密度高、循环性能好、环境友好、结构多样化及价格低廉等优异特性已在摄像机、移动电话、笔记本电脑等便携式电子电器中得到广泛应用。近十年来，由于锂离子电池的快速发展，使得全球的通讯、能源等行业取得蓬勃发展，而且，一旦锂离子电池的能量密度和功率密度能进一步得到大幅度提高，则其必将成为未来纯电动汽车、混合动力汽车、空间技术等高端储能系统的理想电源。

可用于锂离子电池的碳类负极材料可大致分为石墨、软碳和硬碳等，其中，石墨有天然石墨和人造石墨之分，其结构是层状结构，碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸，层间距为0.335nm。天然或人造石墨作为锂离子电池负极材料的缺点是：

1、由于天然或人造石墨层边缘存在羰基、羧基等表面官能团，在一定的电势下，此类表面官能团极易与电解液发生氧化反应，并进一步与Li⁺反应形成锂盐，即所谓的SEI(Solid electrode surface)膜，使得首次充放电容量降低，库仑效率降低；

2、另外，天然或人造石墨在反复嵌锂-脱锂过程中，表面化学官能团与溶剂，如PC，DME，DMSO等，发生溶剂共嵌形成Li-GIC层间化合物致使石墨层膨胀、发生剥落，甚至粉化，进而导致嵌锂容量下降、循环寿命缩短；

3、天然石墨作为负极材料在低温下(例如-20℃)下的电化学行为不理想，主要是锂离子在石墨中扩散慢造成的，而不是电解质和“固体电解质界面膜”(solid electrolyteinterface)，简称SEI膜电导率低的原因；

4、对于普通的天然石墨而言，由于自然进化过程中石墨化过程不彻底，存在天然杂质和缺陷结构，因此锂的插入行为不能与高质量的天然石墨或人造石墨相比，一般容量低于300mAh/g，第一次循环的充放电效率低于80％，而且循环性能也不理想。

5、不能大功率的充放电，因此，不能成为未来纯电动汽车、混合动力汽车、空间技术等高端储能系统的理想电源。

软碳即易石墨化碳，是指在2500℃的高温下能石墨化的无定形碳。软碳的石墨化度较低，晶粒尺寸小，晶面间距(d002)较大，与电解液的相容性好。常见的软碳有石油焦、针状焦、碳纤维、中间相碳微球等。如果仔细考察软碳材料的内部结构，它可在细分为组织化区(organized region)和非组织化区(unorganized region)。组织化区由一些平行的石墨层面组成；非组织化区由四面体键接的碳和高度翘曲的石墨层面组成。热处理温度对材料结构和前脱锂性能的影响较大。

其中，中间相碳微球，由于其外部呈球形，流动性好，易于制成优良的高密度电极，且石墨化度较高，不仅对Li⁺具有很好的嵌锂或脱嵌性能，而且球形结构使其表面易于形成一层致密的SEI膜而有效地抑制了石墨层的剥落或粉化，但缺点是：

1、首次充放电的不可逆容量较高；

2、输出电压较低；

3、无明显的充放电平台电位