[发明专利]一种硬碳/石墨复合锂离子电池负极材料

说明书

一种硬碳/石墨复合锂离子电池负极材料，属于锂离子电池负极材料领域。其特征在于：利用磁力搅拌研磨的方法，对天然鳞片石墨进行研磨或撞击，得到一种纳米碳材料，再经高温热解制得的。该材料的外层是无定型的硬碳材料，内部则保留了石墨原来的层状结构，因此是一种硬碳和石墨的复合材料。与商品石墨负极材料相比，该材料具有更高的比容量，更好的循环性能和倍率性能。该材料的制备方法简单高效，可应用于电能存储领域。

技术领域

一种硬碳/石墨复合锂离子电池负极材料，属于锂离子电池负极材料领域。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度、输出电压高、无记忆效应的优点被广泛应用于手机、笔记本等小型移动电子产品领域，并且在动力电池和储能电池等领域也表现出令人瞩目的发展前景。目前商用的锂电池负极材料主要是石墨，但是石墨比容量较低（理论容量仅为372 mAh/g），并且其倍率性能较差，在高倍率充放电时存在安全隐患。因此必须开发一些新型的比容量高、倍率性能好的锂离子电池负极材料。

硬碳是指难石墨化的碳，其具有较高的比容量、低造价和循环寿命长的优点引起了人们的极大兴趣。目前硬碳的制备方法主要有水热法、生物质热解法、高分子聚合物热解法等。目前制备硬碳材料的方法存在能耗高且生产工艺复杂，污染大，材料性能不太稳定的特点。磁搅拌研磨法相比较其他方法具有制备工艺简单，生产成本低，制备效率高，材料性能稳定的优点。磁搅拌研磨制备的纳米碳材料是一种边缘为无定型的硬碳材料，内部保留了石墨的片层结构的硬碳/石墨的复合材料。该材料不但能够提供较大的比表面积，可以和电解液充分接触，并且尺寸减小后缩短了锂离子的扩散路径，有利于锂离子的传输扩散，从一定程度上提高电池的容量和倍率性能。本发明采用磁搅拌研磨的方法制备硬碳/石墨复合多孔纳米碳材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能耗低、工艺简单、无污染的硬碳/石墨复合锂离子电池负极材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该硬碳/石墨复合锂离子电池负极材料，其特征在于，制备步骤为：

1）将80目天然鳞片石墨和磁性不锈钢针按照质量比1:90~110放入研磨罐中，通入惰性气并密封，室温下研磨罐内的物料在磁力搅拌机上研磨5.5h~6.5h使研磨均匀，筛分得到纳米碳材料；

2）将纳米碳材料在惰性气氛下由室温升温至600℃~1400℃，在该温度下进行高温热处理100min~140min，然后冷却至室温，即得到硬碳/石墨复合锂离子电池负极材料。

本发明采用磁搅拌研磨法将天然鳞片石墨在惰性气体保护下研磨成纳米碳，高频运动的磁针产生强大的剪切力将石墨粉碎成纳米级颗粒，同时表面的sp²杂化结构被破坏为sp³杂化，从而颗粒表面形成一层无定型结构的硬碳。经过高温热处理除去表面不稳定的悬空键和含氧官能团，从而得到一种硬碳/石墨复合纳米碳材料。该材料在作为锂离子电池负极材料具有比容量大、循环性能和倍率性能好的特点。该制备方法简单高效，重复性高，可用于制备高容量锂电池碳负极材料。本发明的制备方法具有操作简单易行，可重现性强，成本低，对环境无污染的优点。利用本方法制备的纳米碳材料作为锂离子电池的负极材料，能够克服鳞片石墨样品电池容量低、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、电池容量高的特点。

优选的，步骤1）中筛分所得的纳米碳材料为颗粒直径20nm~60nm的碳颗粒，所得的纳米碳材料的表面为无序的sp³杂化的硬碳。优选的颗粒直径的纳米碳材料更适合作为锂离子电池负极材料，比容量更大、循环性能和倍率性能更好。

更优选的，所述的纳米碳材料为颗粒直径35nm~45nm的碳颗粒。进一步优选的颗粒直径的纳米碳材料能够达到最佳的效果。