硬碳材料及其制备方法、电池与流程

本发明属于储能领域，具体而言，涉及一种硬碳材料及其制备方法、电池。

背景技术：

1、硬碳材料具有合适的碳层间距离和丰富的石墨微晶域，且成本较低，被广泛用作电池负极材料。

2、然而，现有的硬碳材料作为电池负极材料时，容量和首效低，限制了硬碳材料的应用。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种硬碳材料及其制备方法、电池，采用本申请提供的硬碳材料，有利于兼顾电池的容量和首效。

2、在本发明的第一个方面，本发明提出了一种硬碳材料，根据本发明的实施例，所述硬碳材料中氧原子的含量a满足：2.0at.％<a≤8.0at.％。

3、根据本发明上述实施例的硬碳材料，该硬碳材料中氧原子的含量a满足：2.0at.％<a≤8.0at.％。在硬碳材料中，氧原子的存在能够与碳原子结合形成碳氧键(如-c-o-、-c＝o-等)，从而在较高的电压(～0.6v)下与锂离子或钠离子发生赝电容反应，贡献较高的容量、提升倍率性能，进而缓解硬碳快充条件下的析锂/钠问题；另外，在碳前驱体中引入合适的氧含量，一方面促使碳前驱体形成相互交联的三维网络结构，避免如沥青、糖类等前驱体在煅烧过程出现膨胀效应，另一方面有利于在高温煅烧过程中形成大量的闭孔，进而提升硬碳的容量和首效；但是，当硬碳材料作为电极材料时，过多的氧原子，会与锂离子或钠离子结合，消耗一部分的钠或锂，从而降低了电池的容量和首效，通过限定氧原子的含量在上述范围内，有利于兼顾电池的容量和首效。

4、在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备所述硬碳材料的方法，根据本发明的实施例，该方法包括将碳基材料与第一氧化剂混合反应，得到第一固体；将第一固体与第二氧化剂混合加热，得到第二固体；在保护气氛下，将第二固体进行煅烧，得到所述硬碳材料。由此，采用本申请的方法能够得到氧含量合理的硬碳材料，有利于兼顾电池的容量和首效。

5、另外，根据本发明上述实施例的方法可以具有如下附加技术特征：

6、在本发明的一些实施例中，所述碳基材料与所述第一氧化剂的质量比为1:(0.5-10)。由此，通过控制第一氧化剂的使用量可以实现碳基材料不同程度的氧化。

7、在本发明的一些实施例中，所述碳基材料包括沥青、生物基材料、树脂和糖类中的至少一种。由此，选用上述的碳基材料，有利于提高电池的容量。

8、在本发明的一些实施例中，所述第一氧化剂包括液态氧化剂。由此，能够得到具有较高性能的硬碳材料，有利于兼顾电池的容量和首效。

9、在本发明的一些实施例中，所述第二氧化剂包括气态氧化剂。由此，可以避免在升温过程中碳基材料的软化，从而使氧化更为充分。

10、在本发明的一些实施例中，所述液态氧化剂包括硝酸、高锰酸钾水溶液、硫酸和双氧水中的至少一种。由此，能够浸入碳基材料的内部，增大了接触面积，促使碳基材料氧化充分。

11、在本发明的一些实施例中，所述气态氧化剂包括氧气和空气中的至少一种。由此，可以进一步对碳基材料进行氧化交联，从而获得具有优异性能的硬碳材料，有利于兼顾电池的容量。

12、在本发明的一些实施例中，所述加热的温度为200℃-500℃。由此，有利于提高氧化效率。

13、在本发明的一些实施例中，所述加热的升温速率为0.5℃/min-2℃/min。由此，有利于促使氧化更为充分。

14、在本发明的一些实施例中，所述加热的时间为0.5h-5h。由此，可以确保反应有足够的时间进行，同时防止反应时间过长导致不必要的消耗和可能的副反应。

15、在本发明的一些实施例中，所述煅烧的温度为1000℃-2000℃。由此，可以保证硬碳材料的质量，进而有利于兼顾电池的容量和首效。

16、在本发明的一些实施例中，所述煅烧的升温速率为0.5℃/min-20℃/min。由此，可以保证硬碳材料的质量，进而有利于兼顾电池的容量和首效。

17、在本发明的一些实施例中，所述煅烧的时间为1h-10h。由此，可以保证硬碳材料的质量，进而有利于兼顾电池的容量和首效。

18、在本发明的第三个方面，本发明提出了一种电池。由此，该电池包括上述硬碳材料或采用上述方法制得的硬碳材料，由此，该电池具有较好的容量和首效。

19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种硬碳材料，其特征在于，所述硬碳材料中氧原子的含量a满足：2.0at.％<a≤8.0at.％。

2.一种制备权利要求1所述的硬碳材料的方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳基材料与所述第一氧化剂的质量比为1:(0.5-10)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳基材料包括沥青、生物基材料、树脂和糖类中的至少一种。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一氧化剂包括液态氧化剂；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述液态氧化剂包括硝酸、高锰酸钾水溶液、硫酸和双氧水中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气态氧化剂包括氧气和空气中的至少一种。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热的温度为200℃-500℃；

9.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度为1000℃-2000℃；

10.一种电池，其特征在于，所述电池包括权利要求1所述的硬碳材料或采用权利要求2-9中任一项所述的方法制得的硬碳材料。