【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池材料，尤其涉及一种高性能锂离子电池多孔碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、储能器件是推动国家信息化发展和现代化进程的重要基石，其中锂离子电池因具有工作电压高、高能量密度、环境友好和无记忆效应等优点，已经广泛的应用于电动汽车、轨道交通和航空航天等领域。但随着军民融合以及军用和民用科技化，现代化建设的迅猛发展，具有重要科学研究意义和国防战略价值的高原，深海，极地等高寒地区，以及高空，太空等极寒区域对超低温锂离子电池的需求日益增加。契合新能源车、5g基站、军用无人机和北斗导航系统等应用的耐低温锂离子电池的需求也大幅激增，传统锂离子电池已不能满足人们在上述低温环境地区对能量储存及释放的需求。因此亟待开发低温性能优异的锂离子电池及其电极材料。
2、石墨是锂电行业应用最普遍的负极材料。但在低温下，石墨层间锂离子扩散速率变慢，石墨负极的锂离子嵌入/脱出的动力学过程变缓慢；动力学缓慢带来的过电位使得石墨嵌锂的实际电位接近甚至低于锂金属沉积电位，从而造成析锂。不均匀的锂沉积产生的枝晶，会造成电池内阻增加、容量衰减、寿命衰减、并引发安全问题。
3、研究发现，多孔结构可为锂离子提供快速的传输通道，可减少锂离子在电极材料中的扩散距离，加快锂离子的扩散速率，从而可以加快充放电速度。其中，多孔碳作为一种新兴产品，被广泛应用在各个领域，是具有巨大潜力的新材料。现有技术中，申请公布号为cn118206104a的专利技术专利，公开了一种丰富孔隙结构多孔碳负极材料，使用硬模板法将淀粉作为碳前驱体，葡萄糖酸镁作为模
4、因此，有必要研究一种具有优异的孔隙结构并且孔径可调，可有效提高锂离子在低温条件下的扩散速率的高性能锂离子电池多孔碳负极材料。
技术实现思路
1、本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有优异的孔隙结构并且孔径可调，可有效提高锂离子在低温条件下的扩散速率的高性能锂离子电池多孔碳负极材料及其制备方法，旨在解决上述问题以及其他潜在的问题中的一个或多个。
2、本专利技术第一方面，提供了一种高性能锂离子电池多孔碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3、s1、将硬模板材料和碳前驱体材料球磨混合得到模板/碳混合材料；
4、s2、将所述模板/碳混合材料与造孔剂混合后研磨、过筛得到纳米混合材料；
5、s3、将纳米混合材料进行预热处理，预热完成后进行热解改性得到氮掺杂模板碳纳米产物，其中，预热温度为300~500℃，预热时间为3~6h，热解温度为600~1000℃，热解时间为0.5~24h；
6、s4、将所述氮掺杂模板碳纳米产物置于去模板剂溶液中反应得到纳米混合溶液，将所述纳米混合溶液离心、洗涤、干燥得到所述锂离子电池多孔碳负极材料。
7、本专利技术制备的锂离子电池多孔碳负极材料具有化学稳定性高、导电性好，具有孔径可控以及锂离子扩散快等优点，孔径基本集中在20~40 nm；装配电池测试电化学性能，首次充放电效率可达 85~95 %，可逆容量为 300~450 mah/g，循环 500 次后容量保持率大于88%；-20 ℃时 0.2 c 倍率下充放电，容量发挥 85~99 %；-40 ℃时 0.2 c 倍率下充放电，容量发挥 77~99 %，适合做为高性能锂离子电池负极材料使用。
8、本专利技术利用硬模板法与元素掺杂的改性手法结合制备氮掺杂模板碳纳米产物，再去模板、洗涤制备得到所述锂离子电池多孔碳负极材料，工艺简单，成本低廉，使用的设备均为锂离子电池负极材料制备中的常见设备，有利于大规模生产、推广。
9、在一些实施例中，所述s1中硬模板材料选自阳极氧化铝、二氧化硅、沸石分子筛中的任一种。
10、实施例中，采用阳极氧化铝、二氧化硅、沸石分子筛作为硬模板材料，可以精确控制孔径大小、孔密度和孔深，从而得到具有特定、均匀孔结构的模板，可以为合成材料提供高度有序的孔结构。这些硬模板材料均具有良好的机械稳定性，可以在合成过程中保持其结构完整性，同时，这几种硬模板材料易于去除，可留下具有相应孔隙结构的材料。
11、在一些实施例中，所述s1中碳前驱体材料选自煤沥青、酚醛树脂、稻壳中的任一种。
12、其中，煤沥青含有高达90%以上的碳，在高温下不易分解，有利于制备高碳含量的碳材料，且在高温处理过程中能保持结构稳定性。同样地，酚醛树脂具有优异的耐热性和化学稳定性，可以通过改变原料比例和反应条件来调节酚醛树脂的交联密度，从而影响最终碳材料的孔隙结构和性能，且酚醛树脂碳化后形成的碳材料通常具有较高的强度和硬度。而稻壳不但含有大量的碳，来源广泛，原料获取成本低，而且稻壳本身具有多孔结构，碳化后可以形成具有丰富孔隙的碳材料。
13、实施例中采用这三种材料作为碳前驱体，可以根据不同的应用需求选择合适的碳前驱体材料，以制备具有特定性能的碳材料。
14、在一些实施例中，所述s1中硬模板材料和碳前驱体材料的混合质量比为1:（1~2），球磨转速为700~1000 rpm，球磨时间为2~4 h。
15、在一些实施例中，所述造孔剂和模板/碳混合材料的质量比为1：（0.3~3），所述s2中造孔剂选自尿素、聚乙二醇、淀粉中的任一种。
16、尿素在较低的温度下即可分解，生成气体（主要是氨气和二氧化碳），因此在材料烧结过程中可以形成孔隙。聚乙二醇在加热过程中可以熔化并挥发，不会留下残留物，因此可以形成干净的孔隙。淀粉在燃烧过程中可以形成孔隙，其燃烧速率可以通过调整淀粉的种类和含量来控制。且淀粉本身具有多孔结构，可以作为模板引导孔隙的形成。
17、实施例中，采用这三种材料作为造孔剂，并通过控制造孔剂和模板/碳混合材料的质量比控制制备的孔径大小，从而得到具有优异的孔隙结构的锂离子电池多孔碳负极材料。
18、在一些实施例中，所述s3中，预热/热解需隔绝空气进行，具体为在真空环境下加热或在惰性气体保护下加热。
19、在一些实施例中，所述s4中，去模板剂选自氢氟酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的任一种。
20、在一些实施例中，所述s4中，去模板剂溶液中去模板剂的质量分数为25%~35%，所述氮掺杂模板碳纳米产物与去模板剂溶液的质量比为1:（1~3）。
21、实施例中，采用去模板剂溶解氮掺杂模板碳纳米产物中的硬模板材料，通过控制去模板剂的种类、添加比例，控制去模板剂对氮掺杂模板碳纳米产物的溶解情况，避免影响后续锂离子电池多孔材料的性能。
22、在一些实施例中，所述s4中，所述去模板纳米产物采用去离子水/醇混合溶液洗涤，所述去离子水/醇混合溶液中，去离子水和醇溶剂的质量比为1：(本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高性能锂离子电池多孔碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1中硬模板材料选自阳极氧化铝、二氧化硅、沸石分子筛中的任一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1中碳前驱体材料选自煤沥青、酚醛树脂、稻壳中的任一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S1中硬模板材料和碳前驱体材料的混合质量比为1:（1~2），球磨转速为700~1000 rpm，球磨时间为2~4 h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述造孔剂和模板/碳混合材料的质量比为1：（0.3~3），所述S2中造孔剂选自尿素、聚乙二醇、淀粉中的任一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中，去模板剂选自氢氟酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的任一种。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S4中，去模板剂溶液中去模板剂的质量分数为25%~35%，所述氮掺杂模板碳纳米产物与去模板剂溶液的质量比为1:（1~3）。
8.根据权利要求
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中离心转速为 8000~10000 rpm，离心时间为 10~30 min，鼓风干燥时间为 8~24 h，鼓风干燥温度在60~80 ℃。
10.一种高性能锂离子电池多孔碳负极材料，其特征在于，根据权利要求1~9任一项所述的方法制备得到所述高性能锂离子电池多孔碳负极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种高性能锂离子电池多孔碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述s1中硬模板材料选自阳极氧化铝、二氧化硅、沸石分子筛中的任一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s1中碳前驱体材料选自煤沥青、酚醛树脂、稻壳中的任一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s1中硬模板材料和碳前驱体材料的混合质量比为1:（1~2），球磨转速为700~1000 rpm，球磨时间为2~4 h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述造孔剂和模板/碳混合材料的质量比为1：（0.3~3），所述s2中造孔剂选自尿素、聚乙二醇、淀粉中的任一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s4中，去模板剂选自氢氟酸、氢氧化钠、氢氧化钾...
【专利技术属性】
技术研发人员：纪凌枭，代东举，马瀚程，周云龙，苑晓师，
申请(专利权)人：天能新能源湖州有限公司，
类型：发明
国别省市：
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