[发明专利]碳阳极材料

说明书

本发明涉及一种含碳阳极材料，其能够嵌入和脱嵌碱金属离子并且其具有包括含有一种或多种一次含碳材料的核的碳结构。本发明还涉及这种含碳阳极材料的制备。

发明领域

本发明涉及某些新型含碳阳极材料，涉及制备这种含碳阳极材料的新方法，涉及包含这种新型含碳阳极材料的阳极电极，以及涉及这种阳极电极在例如诸如电池(尤其是可再充电电池)、电化学装置和电致变色装置的储能装置中的用途。

发明背景

钠离子电池在许多方面类似于现今常用的锂离子电池；它们都是包括阳极(负极)、阴极(正极)和电解质材料的可重复使用的二次电池，都能够储存能量，并且它们都经由类似的反应机理充电和放电。当钠离子(或锂离子)电池充电时，Na⁺(或Li⁺)离子从阴极脱嵌并且嵌入阳极。同时，电荷平衡电子从阴极通过包括充电器的外部电路并且进入电池的阳极。在放电期间发生相同的过程，但是方向相反。

锂离子电池技术近年来受到很多的关注，并且为现今使用的大多数电子设备提供优选的便携式电池；然而，锂不是廉价的金属来源，并且被认为对于大规模应用中的使用太昂贵。相比之下，钠离子电池技术仍然处于其相对初期，但是被认为是有利的；钠比锂是丰富得多的，并且一些研究者预测这将提供更便宜和更持久的方式来储存能量到未来，特别是对于诸如在电网上储存能量的大规模应用。然而，在钠离子电池成为商业现实之前，仍有大量工作要做。

在开发用于锂离子电池和钠离子电池两者的具有高电荷储存容量和倍率性能的阴极电极材料方面已经取得显著的研究进展，然而，需要更多关注的一个领域是新的和更有效的阳极电极材料的开发。

以石墨形式的碳由于其高的重量和体积容量在一段时间以来作为锂离子电池中的阳极材料被青睐；石墨电极提供大于360mAh/g的可逆容量，与372mAh/g的理论容量相当。电化学还原过程涉及将Li⁺离子嵌入石墨烯层之间，以产生LiC₆。然而，不幸的是，石墨对钠的电化学活性低得多，并且这与钠与锂相比具有显著更大的原子半径的事实相结合，导致在钠离子电池中在石墨阳极中的石墨烯层之间的嵌入被严重限制。

另一方面，发现在钠离子电池中使用硬碳材料制成的阳极(诸如PCT/GB2020/050872、US2002/0192553A1、US9,899,665B2、US2018/0287153A1中所述)表现的有利得多。

硬碳具有无序结构，这克服钠离子的许多嵌入问题。硬碳材料的确切结构仍有待解决，但一般而言，硬碳被描述为缺乏长程晶序的不可石墨化碳材料。硬碳具有层，但是这些层在长程中不是整齐地堆叠的，并且它是微孔材料。尽管缺乏确定的晶体结构，硬碳在宏观水平上是各向同性的。难以构建硬碳的通用结构模型的原因之一是短程有序、域尺寸、碳层和微孔的比例取决于诸如碳源、碳化和热解温度的合成条件。

另外，与具有其中碳层平面按层堆叠的石墨晶体结构的石墨不同，硬碳具有其中碳层平面以三维地错开的状态堆叠的乱层结构。因此，硬碳的热处理，即使在高温(如3000℃)下，也不会导致从乱层结构向石墨结构的转变或石墨微晶的发展。因此，硬碳在结构上与石墨完全不同，并且可以说包括一个或多个非石墨化区域以及一个或多个不可石墨化区域。

用于制备可在用于二次电池应用的电极中使用的硬碳材料的通常的方法涉及在无氧气氛中加热富碳起始材料至高于500℃的温度，所述富碳起始材料诸如例如石油焦炭和沥青焦炭的矿物；诸如蔗糖和葡萄糖的二次植物基材料；诸如聚合烃和诸如间苯二酚甲醛的较小的有机化合物的人造有机材料；诸如粪肥的动物衍生材料；以及诸如椰子壳、咖啡豆、稻草、竹子、稻壳、香蕉皮等一次植物衍生材料。在当植物衍生和动物衍生材料被碳化的情况下，产生“生物炭”或生物质炭，其可以被进一步加工以获得硬碳材料。