一种碳材料及无导电剂负极的制作方法

本发明涉及钠离子电池，特别是涉及一种碳材料及无导电剂负极。

背景技术：

1、碳材料是钠离子电池目前已商业化且在未来最具发展前景的负极材料，碳材料的结构中含有大量的缺陷、微孔、和含氧官能团等。这些结构在炭化阶段会抑制石墨片生长与取向堆垛，并形成大量随机分布的弯曲石墨片，即使在2500℃乃至更高的温度下，材料也不会形成石墨，只能形成短程有序、长程无序的石墨微晶结构，这种结构阻碍了电子的定向移动，因此碳材料的电导率较低。为了保证负极侧高效的电子传输过程，人们会在配置负极浆料时复合一定比例的导电剂如导电碳黑等。

2、但是导电剂的添加一定程度上降低了活性物质的占比，牺牲了电池能量密度。并且影响电解液在电池体系内的分布，由于受钠电池的空间限制，注入的电解液量是有限的，当一端电极中导电剂含量过高时，电解液富集在这一极而使另一极的钠离子传输过程缓慢，极化度较高，在反复循环后易于失效，从而影响电池的整体性能。同时导电炭黑一般具有较大的比表面积，与电解液接触后发生副反应，降低电池的首次库伦效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对钠离子电池中导电剂带来的副作用，而提供一种碳材料，在碳材料表面覆盖高导电沉积碳层，使其本身电导率满足钠离子电池的需求，而无需添加导电剂。

2、本发明的另一个目的，是提供上述碳材料做成的无导电剂负极，其中不添加导电剂，提高了钠离子电池的首次库伦效率和能量密度。

3、本发明的另一个目的，是提供上述无导电剂负极组成的钠离子电池，首次库伦效率达到93%，首圈可逆容量达到415mah/g，整体性能优良。

4、为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

5、一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1：将碳材料基底进行粉碎研磨；

7、步骤2：将粉碎研磨后的碳材料基底放置于管式炉内，在高温且通入保护气的条件下，通入碳源气，进行化学气相沉积，在碳材料基底表面覆盖碳沉积层；

8、所述保护气为氮气、氩气的一种或混合；

9、所述保护气的流量为0.2l/min；

10、所述碳源气为乙炔、苯和二甲苯中的一种或混合；

11、所述碳源气的流速为0.05-0.5l/min；

12、所述化学气相沉积温度为700-1300℃；

13、所述化学气相沉积时间为1-5h；

14、步骤3：程序降温得碳材料。

15、在上述技术方案中，所述碳材料基底包括石油基碳和生物质碳中的一种或混合；所述碳材料基底的比表面积为800m2/g-1500 m2/g。

16、在上述技术方案中，所述石油基碳包括石油焦、针状焦或沥青焦碳化形成的碳。

17、在上述技术方案中，所述生物质碳包括核桃壳、椰壳、花生壳、木材、葡萄糖或纤维素碳化后形成的碳。

18、在上述技术方案中，粉碎研磨后碳材料基底d50为6-8μm。

19、本发明的另一方面，应用上述制备方法得到的碳材料。

20、本发明的另一方面，一种碳材料，包括碳材料基底和覆盖在所述碳材料基底表面的碳沉积层；

21、所述碳材料孔口尺寸小于0.364nm；

22、所述碳材料比表面积为5-10m2/g；

23、所述碳沉积层为类石墨微晶结构，厚度为20-35nm；

24、所述碳材料的电导率为20-30 s/cm。

25、本发明的另一方面，上述碳材料在无导电剂负极中的应用。

26、本发明的另一方面，一种无导电剂负极，制备过程中，负极浆料由上述碳材料、粘结剂和溶剂组成。

27、本发明的另一方面，一种钠离子电池，包括上述无导电剂负极、正极、电解液和隔膜。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、1.本发明提供的碳材料，在碳材料表面覆盖高导电沉积碳层，将孔口尺寸缩小至0.364nm以下。此时，溶剂化的钠离子无法直接直接进入孔内，经过脱溶剂化后，只有裸露的钠离子进入孔内，避免了电解液在孔内分解形成sei，极大的提高了电池的首次库伦效率。材料粉末电导率高达30 s/cm，可以起到促进电子传输的作用，因而无需再额外添加导电剂；

30、2.本发明提供的无导电剂负极，不添加导电剂，避免了导电剂与电解液的副反应，同时负极的电导率高达41 μs/cm，保证了负极侧高效的电子传输过程；

31、3.本发明提供的钠离子电池，首次库伦效率达到93%，首圈可逆容量达到415mah/g，整体性能优良。

技术特征：

1.一种碳材料，其特征在于：包括碳材料基底和覆盖在所述碳材料基底表面的碳沉积层；

2.如权利要求1所述的碳材料，其特征在于：所述碳材料的孔口尺寸小于0.364nm；

3.如权利要求1所述的碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碳材料基底包括石油基碳和生物质碳中的一种或混合；所述碳材料基底的比表面积为800m2/g-1500 m2/g。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述石油基碳包括石油焦、针状焦或沥青焦碳化形成的碳。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述生物质碳包括核桃壳、椰壳、花生壳、木材、葡萄糖或纤维素碳化后形成的碳。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：粉碎研磨后碳材料基底d50为6-8μm。

8.如权利要求1所述的碳材料在无导电剂负极中的应用。

9.一种无导电剂负极，其特征在于，制备过程中，负极浆料由权利要求1所述的碳材料、粘结剂和溶剂组成。

10.一种钠离子电池，其特征在于，包括权利要求9所述的无导电剂负极、正极、电解液和隔膜。

技术总结
本发明公开了一种碳材料及无导电剂负极。所述碳材料包括碳材料基底和覆盖在所述碳材料基底表面的碳沉积层；孔口尺寸小于0.364nm；比表面积为5‑10m<supgt;2</supgt;/g；碳沉积层为类石墨微晶结构，厚度为20‑35nm；电导率为20‑30 S/cm。所述碳材料在碳材料表面覆盖高导电沉积碳层，溶剂化的钠离子无法直接直接进入孔内，经过脱溶剂化后，只有裸露的钠离子进入孔内，避免了电解液在孔内分解形成SEI，极大的提高了电池的首次库伦效率。由于其本身电导率较高，可以起到促进电子传输的作用，因而无需再额外添加导电剂。避免了导电剂与电解液的副反应，制备的钠离子电池，首次库伦效率达到93%，整体性能优良。

技术研发人员：陶莹,杨晨旭,张俊,王琪,梁家琛,李琦,褚悦,张一波,黎璟泓,杨全红
受保护的技术使用者：玖贰伍碳源科技（天津）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8