[发明专利]一种多元碳基快充负极复合材料及其制备方法

说明书

本发明实施例公开了一种多元碳基快充负极复合材料，其具有核壳结构，内核为掺杂氮元素和锡元素的石墨颗粒和硬碳复合体，外壳为碳纳米管和无定型碳复合层。本发明通过将硬碳前驱体的有机溶液与人造石墨、硅烷偶联剂、氮源和锡源反应得到内核，再将内核与催化剂、粘结剂混合，通入碳源气体，高温下在内核表面生长碳纳米管，同时掺杂生成无定型碳，高温石墨化后得到所述复合材料。本发明的多元碳基快充负极复合材料的石墨和硬碳内核中掺杂氮和锡，使材料具有较高的电子导电率和比容量，水热反应过程赋予其多孔结构提升材料的吸液保液能力并降低阻抗，外层为碳纳米管和无定型碳的复合层，降低材料的阻抗，提升功率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体的说涉及一种多元碳基快充负极复合材料及其制备方法。

背景技术

随着锂离子电池对快充性能要求的提高，要求锂离子电池所用负极材料具有高的能量密度及快充性能，而目前所用负极材料主要以石墨类材料为主，其具有能量密度偏低，快充性能偏差的缺陷；硬碳是一种难石墨化的无定形碳，具有层间距大和良好的快速充放电性能，但是其能量密度偏低；硅基材料能量密度高，但是膨胀大、高温存储性能差。

因此开发一种复合碳基材料，需兼顾材料的能量密度，并尽可能减少阻抗，提升其快速充放电性能，元素掺杂及表面包覆是可选择的方式，但材料的选择及制备过程中的各种因素均影响着材料的快充性能。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种多元碳基快充负极复合材料及其制备方法，通过掺杂比容量高、阻抗低的材料，并进行表面包覆改性降低材料界面阻抗，提升材料快充性能。

为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面的技术目的是提供一种多元碳基快充负极复合材料，其具有核壳结构，内核为掺杂氮元素和锡元素的石墨颗粒和硬碳复合体，外壳为碳纳米管和无定型碳复合层，以复合材料的总重量计，外壳所占的质量百分比为1％～6％。

进一步的，内核中硬碳和石墨颗粒的质量比为1～4:3～6，以内核的总重量计，氮元素的掺杂质量百分比为0.2％～3.3％，锡元素的掺杂质量百分比为0.5％～4.0％。

进一步的，以外壳的总重量计，其中碳纳米管和无定型碳的质量比为0.5～2:1～5。

进一步的，内核中石墨颗粒为D50为5～10μm的人造石墨。

进一步的，所述复合材料的粒径为8～20μm。

本发明第二方面的技术目的是提供一种多元碳基快充负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

内核的制备：向硬碳前驱体的有机溶液中加入人造石墨、硅烷偶联剂、氮源和锡源，于100～200℃密闭反应1～6h，过滤、干燥、粉碎，得到掺杂氮和锡的石墨-硬碳前驱体材料，即为内核；

外壳的制备：将掺杂氮和锡的石墨-硬碳前驱体材料与催化剂、粘结剂混合，以甲烷和惰性气体混合气置换后，持续通入混合气，升温至600～1000℃保温反应1～6h，在内核表面生长碳纳米管，粘结剂裂解生成无定型碳，之后进行高温石墨化，得到所述多元碳基快充负极复合材料。

进一步的，所述硬碳前驱体选自椰壳、淀粉、酚醛树脂、糠醛树脂和环氧树脂中的至少一种；有机溶剂选自四氯化碳、N-甲基吡咯烷酮、环己烷和二甲苯中的一种。硬碳前驱体在有机溶液中的质量浓度为1～10wt％。

进一步的，所述人造石墨为D50为5～10μm的人造石墨。

进一步的，所述硅烷偶联剂选自3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷和3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷中的一种。

进一步的，所述氮源选自尿素、三聚氰铵、苯胺和吡咯中的一种；所述锡源选自二氯化锡、四氯化锡和氧化锡中的一种。