一种用于锂电负极的多孔碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于锂电负极的多孔碳材料及其制备方法，其制备方法包括：碳化、活化、酸洗、水洗、烘干、退火、制粉等步骤，通过上述方法去除具有高比表面积的多孔碳材料中的杂质，改善多孔碳的表面孔结构，用于锂电负极具有容量高，寿命长，倍率高，安全性好等特点；制备采用物理活化法，具有工艺对环境友好，安全性高，成本低等优点；通过上述方法制备所得的多孔碳材料经预锂化后能够直接用作锂电负极材料，其比表面积为800

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂电负极的多孔碳材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种用于锂电负极的多孔碳材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为新型可充电电池，具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应和环境友好等优点，具有广泛的应用前景，尤其在新能源汽车领域。随着对充电时间、续航里程的要求不断增长，对锂离子电池的快速充电，功率充足，以及容量大成本低等都有更高的期待。电池性能的提升主要依靠关键电极材料的发展，如正负极材料容量的不断提升。现有的锂离子电池石墨负极已经接近理论极限，为了满足新一代的能源需求，提高电池的能量密度，开发新型的锂电负极技术迫在眉睫。
[0003]目前锂电池负极材料主要是以石墨为主，石墨的理论容量不高，硅材料以其高容量而被认为是负极材料的发展方向，但硅的膨胀率高，影响电池的使用寿命，多孔碳材料的引入可以为硅膨胀提供空间，延长电池使用寿命，抑制充放电过程中锂枝晶的形成和生长，提高电池的安全性。然而，使用上述材料和方法制成的锂电池的容量和循环性能仍然受到限制。
[0004]如CN106229479A公开了一种锂离子电池用复合负极材料，采用活性炭作为核心，纳米活性物质涂覆在活性炭表面，在内核表面进行包裹改性形成碳材料包裹层，用于改善复合负极材料的容量和循环性能。然而其300次循环后的容量保持率仅能维持在90％左右，容量衰减仍然较大。
[0005]在多孔碳材料的制备方法方面，CN110395728A公开了一种锂电池用多孔碳球负极材料的制备方法，采用化学气相沉积法技术制备纳米碳球，纳米碳球的平均直径为80～100nm之间；再通过碱性物质对纳米碳球二次活化，增加纳米碳球的缺陷和比表面积。然而该方法工艺较复杂、且无法对制备的多孔碳孔容、孔径、比表面积范围进行良好的控制，因此在循环次数上升后，仍无法维持良好的放电比容量。
[0006]因此，锂电池负极材料的选择，以及如何制备用于锂电负极的高质量、高纯度的多孔碳材料，并且如何对多孔碳材料的孔径分布进行控制，成为了提高锂电池器件质量的关键。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，改善锂电负极多孔碳的综合性能，本专利技术提供了一种用于锂电负极材料的多孔碳材料及其制备方法，通过碳化、活化、酸洗、水洗等方法去除具有高比表面积的多孔碳材料中的杂质，改善多孔碳的表面孔结构，达到锂电负极多孔碳材料的使用要求。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种用于锂电负极的多孔碳材料，所述多孔碳材料经预锂化后能够直接用作锂电
负极材料。
[0010]进一步地，所述多孔碳材料的比表面积为800
‑
2800m2/g，孔容为0.5
‑
5.0 cm3/g；孔径为0.5
‑
50nm。
[0011]进一步地，所述多孔碳材料的比表面积为1500
‑
1800m2/g，孔容为 0.7
‑
1.2cm3/g；孔径为1.0
‑
2.0nm或3.0
‑
20nm或30
‑
50nm。
[0012]进一步地，所述多孔碳材料的比表面积为1700m2/g，孔容为0.7cm3/g；孔径为1.6nm。
[0013]进一步地，所述多孔碳材料孔径分布的峰值为：0.8
‑
50nm。
[0014]进一步地，所述多孔碳材料的pH值是6
‑
9；灰分≤0.5％。
[0015]进一步地，所述多孔碳材料的杂质元素含量分别为≤100ppm；粒径D50 为2
‑
50μm。
[0016]以及，一种锂电负极材料，所述锂电负极材料采用上述的多孔碳材料经预锂化后直接制作而成。
[0017]以及，一种锂离子电池，所述锂离子电池的采用上述多孔碳材料经预锂化后，直接作为负极材料。
[0018]进一步地，所述预锂化后，多孔碳材料的碳孔表面，沉积有一层锂金属。
[0019]以及，一种用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0020]活化步骤：将碳化料置于活化温度条件下，加入活化剂，对碳化料进行活化，得到活化料；
[0021]酸洗步骤：将活化料置于酸洗温度下，对活化料进行酸洗；
[0022]水洗步骤：将酸洗后的物料洗涤，降低杂质残留，得到洗涤料；
[0023]干燥步骤：将洗涤料置入干燥设备进行烘干，得到干燥料；
[0024]退火步骤：将干燥料放入高温炉，在惰性气氛环境中进行高温处理，得到退火料；
[0025]制粉步骤：将退火料进行破碎，得到预定粒径分布的粉末成品。
[0026]进一步地，在活化步骤之前进一步包含碳化步骤：将含碳原料在缺氧或惰性气氛环境高温碳化，制成碳化料；
[0027]进一步地，所述的含碳原料为：生物质原料、有机树脂、石油焦或煤焦中的一种或几种；所述碳化料为：生物质原料的碳化料、有机树脂的碳化料、生物质原料的初级活化料、有机树脂的初级活化料中的一种或几种。
[0028]进一步地，所述活化步骤中，通过调节加入的活化剂的种类和使用量，调节所得多孔碳的比表面积,孔径分布，以及孔容。
[0029]进一步地，所述活化步骤中，所述活化剂为超纯水，或水蒸气，或二氧化碳，或蒸汽与二氧化碳的混合气体。
[0030]进一步地，所述活化步骤中，所述活化剂为超纯水，所述碳化料与超纯水的质量比为：1：(0.2
‑
1.5)。
[0031]进一步地，所述活化步骤中，所述活化剂为水蒸气，所述碳化料与水蒸气的质量比为：1：(0.2
‑
2.5)。
[0032]进一步地，所述活化步骤中，所述活化剂为二氧化碳，所述碳化料与二氧化碳的摩尔比为：1:(0.5
‑
1.5)，碳化料的摩尔质量为12g/mol。
[0033]进一步地，所述活化步骤中，所述活化剂为蒸汽与二氧化碳的混合气体，所述碳化
料与混合气体的摩尔比为：1:(0.5
‑
2.0)，碳化料摩尔质量为12g/mol。
[0034]进一步地，所述活化步骤中，在保护气氛下，向碳化料中引入活化剂进行活化；以0.5～20℃/min的升温速率加热至活化温度并保温，所述活化温度为800～1000℃。
[0035]进一步地，所述超纯水的使用量为0.01～0.5g/g碳化料/min，通超纯水的时间为0.5～5h。
[0036]进一步地，所述水蒸气的使用量为0.01～0.5g/g碳化料/min，通水蒸气的时间为0.5～5h。
[0037]进一步地，所述二氧化碳的使用量为25～100ml/g碳化料/min，通气时间为0.5～5h。
[0038]进一步地，所述混合气体的使用量为25～100ml/g碳化料/min，通气时间为0.5～5h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料经预锂化后能够直接用作锂电负极材料。2.如权利要求1所述的用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积为800
‑
2800m2/g，孔容为0.5
‑
5.0cm3/g；孔径为0.5
‑
50nm。3.如权利要求2所述的用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积为1500
‑
1800m2/g，孔容为0.7
‑
1.2cm3/g；孔径为1.0
‑
2.0nm或3.0
‑
20nm或30
‑
50nm。4.如权利要求3所述的用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积为1700m2/g，孔容为0.7cm3/g；孔径为1.6nm。5.如权利要求2所述的用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料孔径分布的峰值为：0.8
‑
50nm。6.如权利要求1
‑
5之一所述的用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料的pH值是6
‑
9；灰分≤0.5％。7.如权利要求1
‑
5之一所述的用于锂电负极的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料的杂质元素含量分别为≤100ppm；粒径D50为2
‑
50μm。8.一种锂电负极材料，其特征在于，所述锂电负极材料采用权利要求1
‑
7之一所述的多孔碳材料经预锂化后直接制作而成。9.如权利要求8所述的锂电负极材料，其特征在于，所述预锂化后，多孔碳材料的碳孔表面，沉积有一层锂金属。10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的采用权利要求1
‑
7之一所述的多孔碳材料经预锂化后，直接作为负极材料。11.如权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述预锂化后，多孔碳材料的碳孔表面，沉积有一层锂金属。12.一种用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：活化步骤：将碳化料置于活化温度条件下，加入活化剂，对碳化料进行活化，得到活化料；酸洗步骤：将活化料置于酸洗温度下，对活化料进行酸洗；水洗步骤：将酸洗后的物料洗涤，降低杂质残留，得到洗涤料；干燥步骤：将洗涤料置入干燥设备进行烘干，得到干燥料；退火步骤：将干燥料放入高温炉，在惰性气氛环境中进行高温处理，得到退火料；制粉步骤：将退火料进行破碎，得到预定粒径分布的粉末成品。13.根据权利要求12所述的用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，在活化步骤之前进一步包含碳化步骤：将含碳原料在缺氧或惰性气氛环境高温碳化，制成碳化料。14.根据权利要求12所述的用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述的含碳原料为：生物质原料、有机树脂、石油焦或煤焦中的一种或几种；所述碳化料为：生物质原料的碳化料、有机树脂的碳化料、生物质原料的初级活化料、有机树脂的初级活化料中的一种或几种。15.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述活化步骤中，通过调节加入的
活化剂的种类和使用量，调节所得多孔碳的比表面积,孔径分布，以及孔容。16.根据权利要求12或15所述的用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述活化步骤中，所述活化剂为超纯水，或水蒸气，或二氧化碳，或蒸汽与二氧化碳的混合气体。17.根据权利要求12或15所述的用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述活化步骤中，所述活化剂为超纯水，所述碳化料与超纯水的质量比为：1：(0.2
‑
1.5)。18.根据权利要求12或15所述的用于锂电负极的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述活化步骤中，所述活化剂为水...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔玉省，周海，管佳瑜，周少雄，张广强，
申请(专利权)人：常州创明超电材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：