一种等离子法改性硬碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及二次电池材料制备技术领域，尤其涉及一种等离子法改性硬碳复合材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种等离子法改性硬碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二次电池材料制备
，尤其涉及一种等离子法改性硬碳复合材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]钠离子电池主要采用硬碳作为负极材料，硬碳是由碳层和无序微孔组成的混乱堆垛的碳材料，内部存在大量的缺陷和孔洞，使其在钠离子电池的使用过程中首次效率偏低，此外，由于硬碳材料自身的无序结构也会造成材料的电子导电率偏差，影响其快充及和功率性能的提升
。
[0003]提升硬碳首次效率及其功率性能的主要措施为材料掺杂
、
包覆和选取缺陷度少的原料等措施，包覆是一种简单
、
快捷
、
有效且容易产业化的方法
。
目前的硬碳材料表面包覆主要通过液相或固相在其材料表面包覆无定型碳
、
氧化物等材料以减少材料的缺陷，提升首次效率，但是存在由于包覆的均一性差和包覆后降低材料的储钠活性点，会降低材料的比容量
。
[0004]等离子沉积法具有沉积致密度高
、
均匀性好，效率高的优势，且沉积过程中对材料内部的结构没有破坏，主要应用于表面处理
、
医学等领域，很少应用于储能材料等领域
。
因此，开发一种在不影响材料储钠活性点位数量的同时降低不可逆容量
、
提升材料的首次库伦效率及其比容量，并改善倍率循环性能的方法十分具有应用价值
。

技术实现思路

[0005]为提升硬碳材料的首次效率和比容量，本专利技术通过等离子法在硬碳表面掺杂杂原子，以提升功率性能，通过气相表面包覆无定形碳降低材料的缺陷度，提升材料的功率性能
、
首次效率及其比容量
。
[0006]本专利技术的第一个方面提供了一种等离子法改性硬碳复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0007]S1.
将氧化沥青依次与交联剂
、
交联气体反应，制备得到硬碳前驱体；
[0008]S2.
将硬碳前驱体在真空腔中通过等离子法依次通入杂原子气体和碳源气体，制备得到等离子法改性硬碳复合材料
。
[0009]进一步地，所述氧化沥青的制备方法包括：在
200
～
300℃
条件下，将沥青转移到管式炉中，通入空气，通入空气体积为沥青体积的
10
倍，在常压下氧化1‑
6h
，得到氧化沥青
。
[0010]进一步地，所述
S1
步骤包括：将氧化沥青与交联剂混合，转移到管式炉中，在真空度为
0.1
‑
0.5MPa
下，通入交联气体
(
流量为
100
‑
1000mL/min)
，首先升温到
300
‑
500℃
保温1‑
6h
，停止通入交联气体，继续通入惰性气体，升温到
1000
‑
1500℃
碳化1‑
6h
，得到硬碳前驱体
。
[0011]本专利技术不对惰性气体做特殊限定，可以选自本领域常用的种类，包括但不限于氩气
。
[0012]在一些实施方式中，所述交联剂包括苯甲醛
、
苯甲醇
、
对苯二甲醇
、
糠醛
、
甲醛中的至少一种
。
[0013]在一些实施方式中，所述氧化沥青与交联剂的质量比为
100
：
(10
‑
30)。
[0014]交联剂含量过多，造成材料的振实密度下降，降低材料的压实密度；交联剂过低，造成材料的孔洞较少，降低材料的储钠功能，并降低其比容量
。
同时，采用醛基或醇基交联剂具有孔洞的连通性好，功率性能较好
。
[0015]在一些实施方式中，所述交联气体包括
1,2
‑
环氧丁烷
、
乙基环氧乙烷
、
丙基环氧乙烷
、
环氧氯丙烷中的至少一种
。
[0016]采用本专利技术的交联气体，具有接触面好，效率高，且无残余杂质，提升材料的高温存储性能
。
[0017]进一步地，所述
S2
步骤包括：将硬碳前驱体转移到真空腔中，在真空度为1‑
10Pa
，温度为
300
‑
600℃
，输出功率为
500
‑
1000W
的条件下，通过等离子法通入杂原子气体，气体流量为
100
‑
500sccm
，通入时间为
10
‑
60min
，产生杂原子沉积在硬碳前驱体的表面；在真空度为1‑
10Pa
，温度
500
‑
900℃
，输出功率为
500
‑
1000W
的条件下，停止杂原子气体，改通碳源气体，气体流量为
100
‑
500sccm
，时间为
10
‑
60min
，制备得到等离子法改性硬碳复合材料
。
[0018]在一些实施方式中，所述杂原子气体包括乙硼烷
、
氨气
、
磷化氢
、
二氧化硫中的至少一种
。
[0019]在一些实施方式中，所述杂原子气体的通入流量
100
‑
500sccm
，时间为
10
‑
60min。
[0020]杂原子含量过高，会降低材料的高温存储性能；如果杂原子含量过低，对提升材料的倍率性能有限
。
[0021]在一些实施方式中，所述碳源气体包括甲烷
、
乙烯
、
乙炔
、
乙烯中的至少一种
。
[0022]本专利技术的第二个方面提供了一种等离子法改性硬碳复合材料，由上述制备方法得到
。
[0023]本专利技术的第三个方面提供了等离子法改性硬碳复合材料在制备钠离子电池负极材料中的应用
。
[0024]本专利技术的第四个方面提供了一种电池，包括负极片，所述负极片包括等离子法改性硬碳复合材料
。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0026](1)
本专利技术采用等离子方法对硬碳材料进行杂原子掺杂，与气相沉积法相比，可以促进含氮
/
磷
/
硫离子在材料内部的扩散，并缩短反应时间和降低反应温度，等离子时间短和低温对材料的影响较小，杂原子与碳会形成化合物具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种等离子法改性硬碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1.
将氧化沥青依次与交联剂
、
交联气体反应，制备得到硬碳前驱体；
S2.
将硬碳前驱体在真空腔中通过等离子法依次通入杂原子气体和碳源气体，制备得到等离子法改性硬碳复合材料
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂包括苯甲醛
、
苯甲醇
、
对苯二甲醇
、
糠醛
、
甲醛中的至少一种
。3.
根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化沥青与交联剂的质量比为
100
：
(10
‑
30)。4.
根据权利要求1‑3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述交联气体包括
1,2
‑
环氧丁烷
、
乙基环氧乙烷
、
丙基环氧乙烷
、
环氧氯丙烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁金，
申请(专利权)人：常州烯源谷新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：