[发明专利]一种硬碳复合材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体而言，涉及一种硬碳复合材料及其制备方法、锂离子电池。所述的硬碳复合材料具有核壳结构，所述核壳结构的内核包括掺杂磷的硬碳材料，所述核壳结构的外壳包括锂盐和无定形碳；所述掺杂磷的硬碳材料的表面还生长有碳纳米管；所述硬碳复合材料的形状为球体。所述的硬碳复合材料具有振实密度大，比表面积大，比容量高，首次效率高，倍率性能好和循环性能好等优点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体而言，涉及一种硬碳复合材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

随着纯电动汽车及其启停电源对锂离子电池脉冲充放电和低温要求的提高，要求锂离子电池所用的负极材料在常温和低温条件下具有大倍率的锂离子嵌脱速率，以提升材料的倍率充放电能力。

目前的石墨材料主要为层状结构，其层间距小，不利于锂离子的快速嵌出。而硬碳材料因具有层间距大、充放电过程中应力变化小、各向同性高以及电压平台高等优点而应用于超低温和大倍率锂离子电池。

但是，现有技术中的硬碳材料主要为颗粒状或块状结构，其比容量偏低，首次效率低，倍率性能偏差，循环性能差，不利于高能量密度快充电池体系的开发和应用。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种硬碳复合材料，所述硬碳复合材料的形状为球体，其在脱锂时的多维方向可以明显提升硬碳复合材料的倍率性能；通过在内核中掺杂磷，能够提高硬碳复合材料的比表面积和比容量；通过在内核表面包覆锂盐，能够提升硬碳复合材料的振实密度、首次效率和倍率性能；通过在掺杂磷的硬碳材料的表面生长碳纳米管，能够提升硬碳复合材料的振实密度、倍率性能和循环性能。

本发明的第二目的在于提供一种硬碳复合材料的制备方法。

本发明的第三目的在于提供一种锂离子电池。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种硬碳复合材料，所述硬碳复合材料具有核壳结构(核壳结构是由一种材料通过化学键或其他作用力将另一种材料包覆起来形成的有序组装结构)，所述核壳结构的内核包括掺杂磷的硬碳材料，所述核壳结构的外壳包括锂盐和无定形碳；

所述掺杂磷的硬碳材料的表面还生长有碳纳米管；

所述硬碳复合材料的形状为球体。

其中，所述硬碳复合材料的形状为球体，该球体也包括类球体(近似球体)。球状结构的硬碳复合材料，其脱锂时的多维方向可以明显提升硬碳复合材料的倍率性能。

所述硬碳复合材料的内核主要为掺杂磷的硬碳材料，硬碳是指难以被石墨化的碳，这类碳在2500℃以上的高温也难以石墨化。硬碳材料具有层间距大、充放电过程中应力变化小、各向同性高以及电压平台高等优点。而本申请在掺杂磷后，磷能够促使硬碳材料产生孔洞结构，同时磷自身具有较高的比容量，从而能够提升硬碳材料的比容量。因此，本发明所述核壳结构的内核为多孔结构。

进一步地，本申请掺杂磷的硬碳材料的表面还生长有碳纳米管。碳纳米管可以降低硬碳复合材料的电子阻抗，提升电子导电率和材料的振实密度，使硬碳复合材料的结构更稳定，从而改善材料的倍率和循环性能。

并且，在内核的表面包覆锂盐，能够提升硬碳复合材料的振实密度、首次效率和倍率性能。

由此可见，本申请所提供的硬碳复合材料，其具有振实密度大，比表面积大，比容量高，首次效率高，倍率性能好和循环性能好等优点，解决了现有技术中存在的比容量偏低、首次效率低、倍率性能以及循环性能差的问题。

优选地，所述硬碳复合材料的粒径为5～20μm，包括但不限于6μm、8μm、10μm、12μm、15μm、17μm、19μm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。