[发明专利]一种无定形炭负极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种无定形炭负极材料及其制备方法和用途。所述无定形炭负极材料包括泡沫型炭骨架和镶嵌在所述泡沫型炭骨架中的炭素颗粒，所述无定形炭负极材料的表面包含大孔和超微孔。所述制备方法包括：(1)将炭素颗粒与有机络合物反应，得到溶胶；(2)在溶胶中加入固化膨胀剂，进行反应，得到复合材料；(3)将复合材料烧结后，得到所述无定形炭负极材料。该材料具有类似荷叶表面的“凹凸”结构，这种特殊结构不仅能抗吸附性，还能为反应离子提供快速扩散的通道，在储能应用中表现出优异的大倍率长循环性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，涉及一种负极材料及其制备方法和用途，尤其涉及一种无定形炭负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

出于绿色环保的理念和消费者的要求，电动汽车、智能电网、手机、笔记本电脑等的发展越来越依赖于锂离子电池的开发。现阶段，商业化锂离子电池负极材料以炭素材料为主，其比容量高(200～400mAh·g-1)，电极电位低(＜1.0V vs Li⁺/Li)，循环性能好(1000周以上)，理化性能稳定。根据结晶程度的不同，炭素材料可以分为石墨材料与无定形炭材料两大类。其中，石墨材料因其导电性好，结晶度高，层状结构稳定，适合锂的嵌入-脱嵌等特点，成为理想的锂电负极材料。目前，石墨负极材料的可逆容量值已接近理论容量值372mAh/g，且石墨材料的结构稳定性差，与电解液的相容性差，以及Li⁺在其有序的层状结构中扩散速度慢等问题，导致传统的石墨负极材料已难以胜任快速充电和大倍率放电的锂离子动力电池的需求。因而，具有高导电性，和优异结构稳定性的无定形炭负极材料成为研究人员的开发重点。

无定形炭材料具有短程有序长程相互交错的层状结构，Li⁺可以从各个角度嵌入和脱嵌，缩短离子扩散距离，大大提高了充放电速度，从而实现材料的快速充放电。加上无定形材料结构中存在大量微孔和缺陷，为嵌锂提供了丰富的活性位点，因而可逆容量远大于石墨的理论容量值372mAh/g。此外，无定形炭具有各向同性的结构特征，层间距较大，即使在-40℃低温下Li⁺也可以在电极内实现快速的扩散速率，其低温性能也较石墨材料有明显的改善。因此，无定形炭负极材料成为未来动力电池负极材料的发展趋势。虽然无定形炭负极材料具有诸多优点，但在应用过程中还存在许多问题，如：(1)材料表面缺陷较多，首次不可逆容量较大，降低电池的能量密度；(2)材料表面丰富的活性位点，在高温下与电解液发生副反应，导致容量快速衰减；(3)虽然无定形炭材料比石墨负极材料更优异的倍率性能，能在20C@1C大倍率下充放电，但是对于大倍率长循环性能较差，并不能满足市场越来越大的功率需求；(4)将材料暴露在空气中放置一段时间，材料结构中的-OH、-COOH、-C＝O等含氧官能团会产生化学吸附作用，吸附空气中的水、氧气等杂质气体，导致可逆容量急剧下降。因此，限制了无定形炭材料的推广应用。

现有技术中，对于改善石墨、硅炭、无定形炭等负极材料性能的工艺有许多，如CN105449162公开了一种锂离子电池用负极材料及其负极片，该方案提出在天然石墨和人造石墨表面包覆一层软炭，部分降低原有材料的不可逆容量。

CN109671943A公开了一种高首效硅碳复合负极材料及其制备方法，该方案通过物理气相沉积和电化学沉积的方法在纳米硅表面包覆一层类似SEI成分的外壳降低首次充放电过程中锂离子的消耗。

CN106876710A公开了一种用于锂离子电池的软碳负极材料及其制备方法，该方案是通过在软炭前驱体原料中添加钼酸铵和硝酸钴消耗负极中单质或离子态硫(氮)，提高材料的首效。

CN109148843A公开了一种具有良好高温性能的硼掺杂负极材料及其固相制备方法，该方案以硼氧化合物为掺杂剂通过表面改性，一方面利用硼的催化作用提高材料的石墨化度，另一方面，氧化硼与负极材料表面复合，减少表面缺陷，降低高温下与电解液的副反应。