碳材料及其制备方法与锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种碳材料，包括：碳核；包覆于碳核表面的第一碳材料，包覆于第一碳材料表面的第二碳材料；所述碳核为石墨或中间相炭微球；所述第一碳材料为硬碳、石墨烯或碳纳米管，所述第二碳材料为无定形碳或石墨。本申请通过设置贡献能量密度的碳材料作为碳核；提供功率密度，寿命与安全性的碳材料作为包覆碳核的第一碳材料；具有低比表面积，易于形成固相电极界面的碳材料作为包覆第一碳材料的第二碳材料，使本申请提供的双层包覆的碳材料作为电极材料，使电池具有较高的能量密度与功率密度。本申请还提供了所述碳材料的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池
，尤其涉及一种碳材料及其制备方法与锂离子电池。
技术介绍
锂电技术已经成为现代社会的重要组成部分，从智能手机到电动车等都在使用锂电提供的便携能源。锂离子电池最早由索尼公司1991年实现商业化，之后不断发展，技术上取得了长足的进步，但是电池的能量密度、功率、寿命以及安全性等方面仍然存在缺陷，不能完全满足社会发展的需求，因此成为研发人员迫切需要解决的问题。众所周知电池性能很大程度上取决于材料技术，电池性能的提高通常是通过提高负极和正极材料来实现的。现今商业化的锂离子电池绝大多数都采用某一种或几种碳材料作为负极。1973年碳材料首次被提出可用做插层电极，随后得到了广泛的应用。采用不同的碳材料前驱体、制备方法以及热处理/化学处理活化方法均可得到具有不同结晶度、化学成分和微观结构的碳材料。锂离子插层的碳材料主要有石墨、焦炭、中间相沥青、碳纤维、热解碳、碳60以及纳米碳管等。无定形碳(比如软碳和硬碳)相对于结晶状的碳材料(比如人造石墨和天然石墨)来说，在寿命、功率和安全性能方面更具优势，但是石墨材料则在能量密度和价格方面优势明显。基于此，为了提高电池的寿命、功率和安全性能，人们经常把软碳或者硬碳掺混到石墨材料里做成负极，但是增加了掺混的步骤同时也增加了生产成本。因此，如何制造低成本高性能的先进碳电极材料一直是锂电工业界的一大挑战。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种碳材料及其制备方法，本申请提供的碳材料作为锂电池的负极材料，使锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度且成本较低。有鉴于此，本申请提供了一种碳材料，包括：碳核；包覆于碳核表面的第一碳材料，包覆于第一碳材料表面的第二碳材料；所述碳核为石墨或中间相炭微球；所述第一碳材料为硬碳、石墨烯或碳纳米管，所述第二碳材料为无定形碳或石墨。优选的，所述碳核的含量为59wt％～99.8wt％，所述第一碳材料的含量为0.1wt％～40wt％，所述第二碳材料为0.1wt％～10wt％。本申请还提供了一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：将碳核材料、第一碳材料与第二碳材料在溶剂中混合，得到混合液；将所述混合液进行蒸发，然后热处理，得到碳材料；所述碳核材料为石墨或中间相炭微球，所述第一碳材料为石墨烯、碳纳米管或热解产生硬碳的碳材料前驱体，所述第二碳材料为石墨或热解产生无定形碳的碳材料前驱体。优选的，所述碳核材料的粒径为10μm～30μm，所述第一碳材料的粒径为0.1μm～10μm，所述第二碳材料的粒径为0.1～10μm。优选的，所述蒸发的设备为旋转蒸发仪，所述蒸发的温度为100℃～150℃。优选的，所述蒸发的温度为120℃～130℃。优选的，所述热处理在氮气气氛保护下进行，所述热处理的升温速率为2℃/min～6℃/min，所述热处理的温度为800℃～1200℃，所述热处理的时间为1.5h～3h。本申请还提供了一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：将碳核材料、第一碳材料与溶剂混合，得到第一混合液，将第二碳材料与溶剂混合，得到第二混合液；将所述第一混合液蒸发后热处理，得到第一包覆碳材料；将所述第一包覆碳材料与所述第二混合液混合，蒸发后热处理，得到碳材料；所述碳核材料为石墨或中间相炭微球，所述第一碳材料为石墨烯、碳纳米管或热解产生硬碳的碳材料前驱体，所述第二碳材料为石墨或热解产生无定形碳的碳材料前驱体。优选的，所述热解产生硬碳的碳材料前驱体为石油基树脂，所述热解产生无定形碳的碳材料前驱体为煤焦油沥青。本申请还提供了一种锂离子电池，包括负极、正极、电解液与隔膜，其特征在于，所述负极的材料为上述方案所述的碳材料或上述方案所制备的碳材料。本申请提供了一种碳材料，其包括碳核、第一碳材料与第二碳材料，所述第一碳材料包覆于碳核表面，所述第二碳材料包覆于所述第一碳材料表面，其中所述碳核为石墨或中间相炭微球，所述第一碳材料为硬碳、石墨烯或碳纳米管，所述第二碳材料为无定形碳或石墨。本申请提供的碳材料的碳核是提供能量密度的组分，第一碳材料是改善电池功率密度、寿命与安全性的组分，而第二碳材料具有较低的比表面积，易于与电解液界面形成固相电极界面，以保护碳核与第一碳材料，因此本申请提供的碳材料通过设置碳核、第一碳材料与第二碳材料，使碳材料应用于锂离子电池的负极具有较高的能量密度与功率密度；同时本申请采用的碳材料均可以通过简单途径获得，则本申请的碳材料成本较低。本申请还提供了碳材料的制备方法。在制备碳材料的过程中，可以先在碳核表面包覆第一碳材料，再在第一碳材料表面包覆第二碳材料；也可以直接在碳核表面包覆第一碳材料与第二碳材料；上述两种方法都是经过简单的混合、蒸发与热处理实现的，制备过程简单，降低了成本。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种碳电极材料，包括：碳核；包覆于碳核表面的第一碳材料，包覆于第一碳材料表面的第二碳材料；所述碳核为石墨或中间相炭微球；所述第一碳材料为硬碳、石墨烯或碳纳米管，所述第二碳材料为无定形碳或石墨。本申请提供的碳电极材料具有双层包覆结构，其中碳核是贡献能量密度的组分，其被第一碳材料包覆，第一碳材料是具有高功率、长寿命与高安全性的材料，是整个材料中改善功率、寿命与安全性的组分，第一碳材料被第二碳材料包覆，第二碳材料具有低的比表面积，易与电解液界面形成固相电解界面，由此，本申请的碳电极材料设置的碳核与第一碳材料使碳电极材料具有较高的能量密度、功率密度、寿命与安全性，而包覆于第二碳材料又能够保证碳电极材料与电解液界面形成固相电极界面，因此本申请的碳材料作为锂离子电池的负极材料，使锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度、安全性与寿命。本申请所述碳核为石墨或中间相炭微球，所述石墨可以为天然石墨，也可以是人造石墨，所述碳核在碳电极材料中是提供能量密度的组分。所述碳核的含量为59wt％～99.8wt％，更优选为70wt％～90wt％。若碳核的含量过低，则会使碳电极材料的能量密度太低，若碳核的含量过高，则会影响碳材料功率密度的提升。对于石墨或中间相碳微球的来源，本申请没有特别的限制。...

【技术保护点】
一种碳材料，其特征在于，包括：碳核；包覆于碳核表面的第一碳材料，包覆于第一碳材料表面的第二碳材料；所述碳核为石墨或中间相炭微球；所述第一碳材料为硬碳、石墨烯或碳纳米管，所述第二碳材料为无定形碳或石墨。

【技术特征摘要】
1.一种碳材料，其特征在于，包括：
碳核；包覆于碳核表面的第一碳材料，包覆于第一碳材料表面的
第二碳材料；
所述碳核为石墨或中间相炭微球；所述第一碳材料为硬碳、石墨
烯或碳纳米管，所述第二碳材料为无定形碳或石墨。
2.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述碳核的含
量为59wt％～99.8wt％，所述第一碳材料的含量为0.1wt％～40wt％，所
述第二碳材料为0.1wt％～10wt％。
3.一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳核材料、第一碳材料与第二碳材料在溶剂中混合，得到混合
液；
将所述混合液进行蒸发，然后热处理，得到碳材料；
所述碳核材料为石墨或中间相炭微球，所述第一碳材料为石墨
烯、碳纳米管或热解产生硬碳的碳材料前驱体，所述第二碳材料为石
墨或热解产生无定形碳的碳材料前驱体。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳核材
料的粒径为10μm～30μm，所述第一碳材料的粒径为0.1μm～10μm，所
述第二碳材料的粒径为0.1～10μm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述蒸发的
设备为旋转蒸发仪，所述蒸发的温度为100℃～150℃。
6.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宪宏，程继红，胡金岷，
申请(专利权)人：青岛灵科新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37