[发明专利]一种快充硬碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种快充硬碳负极材料及其制备方法和应用，本发明以植物系原料为前驱体制备出硬碳负极材料，经过酸改性、催化、固化、碳化、粉碎、过筛等过程制备硬碳负极材料，再对制备的硬碳材料进行导电剂包覆改性，所述快充硬碳负极材料的制备方法简单，条件温和可控。制备的高能快充硬碳负极材料，有效地提高了克容量和快充性能，其制成的电池的综合性能优良，快充性能明显提高，在电池实际应用领域具有广泛的研究前景。

技术领域

本发明属于电池负极材料领域，涉及一种快充硬碳负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着人们对生活品质的提高，对各类电子设备快充性能要求越来越高，并且随着国家对新能源汽车的大力支持，锂离子电池的应用又进入了一个新的高度，快充和续航也成为电动汽车领域一个重要的衡量指标。现有技术采用石墨为锂离子电池的负极材料。然而，石墨的理论嵌锂最大容量仅为372mAh/g，比容量已经到达极限，石墨材料由于具有高度取向的石墨层状结构，与有机溶剂的相容性较差，在首次充放电时会发生锂与有机溶剂的共嵌入、石墨层间剥离、石墨颗粒发生粉化，导致电极结构破坏，循环性能下降。此外由于石墨的片状结构只允许锂离子沿石墨晶体的边界嵌入和脱出，扩散路径长，不能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力等。因此业界开始把目光投向非石墨类材料，比如硬碳和其它非碳材料。硬碳负极材料具有明显高于石墨类负极材料的比容量、稳定的循环性能和优异的快速充放电性能等诸多优点，因此开发高能快充硬碳材料成为该领域的研究热点。然而硬碳负极材料首次效率低，不可逆容量大，因此要制备高能快充性的硬碳负极材料，必须对其改性处理。

CN113697804A公开了一种快充高首效硬碳人造石墨负极材料及其制备方法。其所述制备方法包括：将含碳原材料进行热处理，得硬碳材料；将所述硬碳材料粉碎，然后与包覆剂混合均匀，进行热处理，制得包覆硬碳材料；将所述包覆硬碳材料进行石墨化高温热处理，完成后即得所述快充高首效硬碳人造石墨负极材料。

CN109748587A公开了一种高容量快充石墨负极材料的制备方法，其采用易石墨化焦/高结晶度石墨与难石墨化焦/硬碳进行二次颗粒化处理，再混合沥青进行复合反应，复合之后进行破碎，然后进行石墨化，石墨化之后再进行改性、碳化处理。

上述方案提供的负极材料存在有首效低、不可逆容量大的问题，因此，开发一种首效高且不可逆容量小的快充硬碳负极材料是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快充硬碳负极材料及其制备方法和应用，本发明所述快充硬碳负极材料的制备方法简单，条件温和可控。制备的高能快充硬碳负极材料，有效地提高了克容量和快充性能，其制成的电池的综合性能优良，快充性能明显提高，在电池实际应用领域具有广泛的研究前景。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种快充硬碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将植物系原料热解形成硬碳基体，对所述硬碳基体进行酸改性处理；

(2)将酸改性后的硬碳基体和催化剂混合进行水热反应，加入固化剂，经碳化处理得到硬碳内核负极材料；

(3)将步骤(2)得到的硬碳内核负极材料和表面活性剂溶液混合，加入聚合物单体和过硫酸盐，冰浴反应后得到所述快充硬碳负极材料。

本发明以植物系原料为前驱体制备出硬碳负极材料，经过酸改性、催化、固化、碳化、粉碎、过筛等过程制备硬碳负极材料，再对制备的硬碳材料进行导电剂包覆改性。本发明所述方法简单，条件温和可控，原材料来源广泛，成本低，所得的硬碳负极材料倍率性能优异。导电剂包覆之后硬碳拥有较高的电导率，有利于锂离子和电子的传输，酸改性能够提高首效和容量，电池有更高的倍率性能和容量保持性能。

优选地，步骤(1)所述植物系原料包括淀粉、葡萄糖、蔗糖、稻谷壳、甘蔗杆或木屑中的任意一种或至少两种的组合。