碳材料及其制备方法与锂离子电池的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种碳材料及其制备方法与锂离子电 池。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 有鉴于此，本申请提供了一种碳材料，包括：
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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· Iwt %~40wt %，所述第二碳材料为0· Iwt %~IOwt %。
[0010] 本申请还提供了一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011] 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；
[0012] 将所述混合液进行蒸发，然后热处理，得到碳材料；
[0013] 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。
[0014] 优选的，所述碳核材料的粒径为10 μ m~30 μ m，所述第一碳材料的粒径为 0· 1 μ m~10 μ m，所述第二碳材料的粒径为0· 1~10 μ m。
[0015] 优选的，所述蒸发的设备为旋转蒸发仪，所述蒸发的温度为l〇〇°C~150°C。
[0016] 优选的，所述蒸发的温度为120 °C~130 °C。
[0017] 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°C / min~6°C /min，所述热处理的温度为800°C~1200°C，所述热处理的时间为I. 5h~3h。
[0018] 本申请还提供了一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019] 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；
[0020] 将所述第一混合液蒸发后热处理，得到第一包覆碳材料；
[0021] 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；
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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、石墨稀或碳纳米管，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。
[0026] 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】
[0027] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明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发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0028] 本发明实施例公开了一种碳电极材料，包括：
[0029] 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；
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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，