【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于二次电池，具体涉及一种硬碳负极材料及其制备方法和用途。
技术介绍
1、随着二次电池逐渐被社会认可，人们对其能量密度、倍率性能的要求也不断提高，天然、人造石墨负极材料已渐渐难以满足要求，同时随着石墨化程度的提升，石墨片层间距愈发减小，导致在充放电过程中，锂离子的脱出、嵌入愈发困难。对于新兴的钠离子电池产业，因正极材料成本远低于锂电产业，在两轮电动车、电动工具、储能以及a0级电动车领域，有望开始替代锂离子电池；然而，石墨因其层间距过小，导致钠离子无法进入石墨内部，从而无法应用于钠离子领域。
2、硬炭材料，一般指难石墨化的碳材料，在2800℃以上，其无序结构也难以消除。对于500～2000℃碳化的碳材料，硬炭材料呈现长程无序的结构，具有各向同性的结构特征，微观结构呈非晶态，锂离子可通过插层～吸附～填孔机理，充电储存在硬炭负极中，硬碳与石墨相比，具有大的层间距、丰富的空隙结构、利于锂离子的快速扩散，也是良好的储钠基体，同时具有优良的循环稳定性、倍率性能和安全性，因而在动力型锂离子电池领域再次受到关注，在钠电池领域中更是中流砥柱。
3、然而，对于行业中硬炭材料，采用生物质作为原料时，硬碳材料的性能又难以控制，电化学性能难以保证稳定。而一般的有机聚合物前驱体原材料价格昂贵，且在实际开发过程中，对于碳材料结构的控制较难，采用调控碳化温度来调控碳材料层间距参数时，会导致碳材料中导致性能劣化的杂原子(如h原子，在电化学过程中会消耗锂离子)与缺陷较多，不利于负极材料的库伦效率。而采用小分子与硬碳材料前驱体共混掺
4、因此，如何得到结构稳定，性能稳定的硬碳负极材料，且成本可控，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种硬碳负极材料及其制备方法和用途。本专利技术将改性单体与含有可聚合组分的有机物的通过阳离子共聚合的方法制备得到了均一的、含o(和/或n)元素掺杂的硬碳前驱体，再经过碳化工艺最终得到了均一相的硬碳材料，从而达到保证硬碳负极材料库伦效率的前提下，提升了材料的快充性能。
2、为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种硬碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
4、将含有可聚合组分的有机物、改性单体和引发剂混合，聚合，得到硬碳前驱体材料，将硬碳前驱体材料碳化，得到所述硬碳负极材料；
5、其中，所述改性单体中包括不饱和碳碳双键，所述改性单体还包括o和/或n元素。
6、本专利技术使用含o(或n)元素和不饱和碳碳双键的刚性单体与石油副产物中可聚组分通过可调控的配方设计，利用阳离子共聚合的方法制备得均一的、含o(或n)元素掺杂的硬碳前驱体，再经过碳化工艺制成所需的均一相的硬碳材料，从而达到保证材料库伦效率的前提下，引入o原子来增加碳材料的晶面间距和减小晶粒尺寸以提升快充性能的效果，引入n原子以利用其孤对电子提升离子在负极材料中的传输速度；且本专利技术采用的是有机杂原子掺杂源，在有机分子的骨架中引入杂原子，由于掺杂原子自身与前驱体中的c就以化学键连接，在成碳过程中掺杂原子进入碳骨架效率高，分布均匀，掺杂效果好，而且可以通过合理的配方设计和反应条件控制来调控硬碳负极中掺杂元素的比例及组成，从而调控碳材料的晶面间距、晶粒大小，以达到更加优异的快充性能。
7、本专利技术中，如果改性单体中不含有掺杂原子(o和/或n元素)，则无法实现快充性能的提升，而如果为非碳碳双键结构，则无法进行离子共聚反应，从而无法将掺杂元素通过共价键的方式；同时，本专利技术中的有机物如果直接为可聚合单体，材料由于杂原子含量较少，碳化后材料的无序度和层间距偏小，导致容量较低和快充性能较弱的问题。
8、优选地，所述含有可聚合组分的有机物的制备方法包括：
9、将石油副产物进行蒸馏和预处理，得到含有可聚合组分的有机物。
10、本专利技术中将石油副产物经过蒸馏和预处理，去除了吡啶类和酚类化合物，提升了原料油的质量与产率使其成为含有可聚合组分的有机物。
11、优选地，所述石油副产物包括煤焦油、催化裂化油浆、乙烯焦油或粗苯的任意一种或至少两种的组合。
12、优选地，所述预处理包括酸洗、碱洗和水洗。
13、优选地，所述酸洗中的酸溶液包括硫酸溶液。
14、优选地，所述酸溶液为所述原料油的质量的6～10％，例如6％、7％、8％、9％或10％等。
15、优选地，所述酸溶液的质量浓度为30～60％，例如30％、40％、50％或60％等。
16、优选地，所述碱洗中的碱溶液包括氢氧化钠溶液。
17、优选地，所述碱溶液为原料油的6～10％，例如6％、7％、8％、9％或10％等。
18、优选地，所述碱溶液的质量浓度为1～10％，例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等。
19、优选地，所述蒸馏的温度为165～185℃，例如165℃、168℃、170℃、173℃、175℃、178℃、180℃、182℃或185℃等。
20、优选地，所述含有可聚合组分的有机物中的可聚合组分包括呋喃苯单体、茚单体或苯乙烯中的任意一种或至少两种的组合。
21、优选地，所述改性单体的质量与所述含有可聚合组分的有机物的质量之比为(20～100):100，例如20:100、30:100、40:100、50:100、60:100、70:100、80:100、90:100或100:100等
22、本专利技术中，改性单体的质量与所述含有可聚合组分的有机物的质量之比过大，即改性单体加入过多，掺杂元素太多，会导致形成的碳材料产生额外的缺陷，对表面结构反而会造成破坏，碳化后材料虽然容量会上升但首效会降低，而质量之比过少，即改性单体加入过少，又会由于原材料杂原子含量较少，碳化后的材料的无序度和层间距偏小，又会导致容量减小和快充性能减弱。
23、优选地，所述引发剂的质量与所述含有可聚合组分的有机物的质量之比(0.1～5):100。
24、本专利技术中，所述引发剂的质量与所述含有可聚合组分的有机物的质量比过小，会导致反应效率偏低，反应时间过长，而质量比过大，又会导致分子量过小，在碳化过程中收率较低，碳化过程中由于小分子的溢出而造成较多的缺陷，导致首效减弱。
25、优选地，所述改性单体包括双马来酰亚胺类有机物、乙烯基含氮杂环类有机物或乙烯基芳香醚类有机物中的任意一种或至少两种的组合。
26、本专利技术中，改性单体分子结构刚硬且含o和/或n基团，为硬炭前驱体单体，可以提升材料的硬碳特性，在聚合时调控其单体比例，引入一种或多种杂原子，会本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述含有可聚合组分的有机物的制备方法包括：
3.根据权利要求1或2所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述改性单体的质量与所述含有可聚合组分的有机物的质量之比为(20～100):100；
4.根据权利要求1-3任一项所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述改性单体包括双马来酰亚胺类有机物、乙烯基含氮杂环类有机物或乙烯基芳香醚类有机物中的任意一种或至少两种的组合；
5.根据权利要求1-4任一项所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述聚合包括：将含有可聚合组分的有机物和改性单体进行一次混合，然后加入引发剂进行二次混合；
6.根据权利要求1-5任一项所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述碳化包括依次进行一次碳化和二次碳化；
7.根据权利要求1-6任一项所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
8.一种硬碳负极材料，其特征
9.如权利要求8所述的硬碳负极材料，其特征在于，所述硬碳负极材料的无序度ID/IG为1.5～2.3；
10.一种二次电池，其特征在于，所述二次电池包括如权利要求8或9所述的硬碳负极材料；
...【技术特征摘要】
1.一种硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述含有可聚合组分的有机物的制备方法包括：
3.根据权利要求1或2所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述改性单体的质量与所述含有可聚合组分的有机物的质量之比为(20～100):100；
4.根据权利要求1-3任一项所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述改性单体包括双马来酰亚胺类有机物、乙烯基含氮杂环类有机物或乙烯基芳香醚类有机物中的任意一种或至少两种的组合；
5.根据权利要求1-4任一项所述的硬碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述聚合包括：将含有可聚合组分的有机...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖周杰，刘鸿辉，杨乘宇，
申请(专利权)人：湖南中科星城石墨有限公司，
类型：发明
国别省市：
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