本發(fā)明涉及電池材料制備，尤其涉及一種硬碳材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、目前，硬碳的儲鈉機制目前仍存在爭議，但其充放電曲線主要包括0.1v以上的斜坡區(qū)域以及0.1v以下的平臺區(qū)域，高平臺容量不僅有助于實現(xiàn)優(yōu)異的總?cè)萘客瑫r還能獲得優(yōu)異首次庫倫效率（≥85%），這種優(yōu)勢也確保了全電池系統(tǒng)的高能量密度和長循環(huán)壽命，然而平臺容量主要由硬碳石墨層和閉孔共同主導(dǎo)的，且閉孔能提供80%以上的平臺容量。因此，關(guān)于目前硬碳材料的研究主要在于閉孔尺寸、數(shù)量及體積的設(shè)計與調(diào)控。

2、然而，鈉離子在硬碳閉孔里面的存儲是一個緩慢過程，在高倍率下快速充放電時，閉孔優(yōu)勢完全失效，因此造成硬碳快充性能差的問題。但是，當前的硬碳合成方法會不可避免的形成大量閉孔，因此靶向設(shè)計無閉孔且僅具有擴大層間距離的硬碳對于實現(xiàn)極速快充是非常必要的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提供一種硬碳材料及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明提供的制備方法通過降低閉孔體積、拓寬層間距，極大地提高了硬碳材料應(yīng)用于電極片中的快充性能。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明第一個方面提供一種硬碳材料的制備方法，包括如下步驟：

4、s1、將填孔碳源加入至乙二醇水溶液，得填孔碳源混合體系；

5、s2、將活性炭加入至所述填孔碳源混合體系，于6mpa-9mpa、120℃-140℃下進行沉積，抽濾，洗滌，干燥，得活性炭混合物；

6、s3、將所述活性炭混合物以300℃/s-320℃/s的速率升溫至1300℃-1500℃進行保溫，得硬碳材料；

7、s1中，所述填孔碳源為多糖類物質(zhì)和苯的混合物。

8、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的硬碳材料中選擇多糖類物質(zhì)和苯的混合物作為碳源，在高溫高壓下，熔融狀態(tài)的多糖類物質(zhì)會包裹苯進入活性炭孔隙內(nèi)部，苯還可以進入到活性炭的極小孔隙中，多糖類物質(zhì)由于其高粘度的特點，會把苯固定在小孔隙內(nèi)部；多糖類物質(zhì)和苯作為填孔碳源會最大程度地堵塞活性炭的大小孔隙，高溫高壓的條件會使多糖類物質(zhì)和苯通過發(fā)生化學反應(yīng)在活性炭孔隙內(nèi)沉積小分子碎片，從而有利于提高硬碳的閉孔率、拓寬層間距；進一步，本發(fā)明限定了升溫速率，快速升溫過程能使活性炭孔隙內(nèi)部的填孔碳源分解并形成碳基質(zhì)堵塞孔道，并且特定的升溫速率還能使活性炭內(nèi)外表面形成溫度差異，當在特定的溫度進行保溫時，活性炭內(nèi)外的熱場梯度差能使活性炭內(nèi)部的無序碳原子優(yōu)先成核、長大并重排，形成大量石墨域，同時由于不同位置碳原子成核能壘差異，在形成石墨域時層間會存在強烈的靜電排斥作用，進而拓寬了層間距。

9、本發(fā)明提供的硬碳材料的制備方法，通過將填孔碳源混合體系高壓浸漬在活性炭中的大小孔隙中沉積成小分子碎片，進一步快速升溫至特定的溫度下保溫，使填孔碳源分解形成碳基質(zhì)堵塞孔道，并且活性炭中無序碳原子還能形成大量石墨域，形成石墨域期間由于不同的碳原子成核能壘差異，層間存在強烈的靜電排斥作用，進而拓寬了層間距。本發(fā)明提供的制備方法通過降低閉孔體積、拓寬層間距，極大地提高了硬碳材料應(yīng)用于電極片中的快充性能。

10、優(yōu)選的，s1中，所述填孔碳源中多糖類物質(zhì)和苯的質(zhì)量比為1:（1-2）。

11、優(yōu)選的，s1中，所述多糖類物質(zhì)為寡肽、寡糖、寡核苷酸或纖維素中至少一種。

12、本發(fā)明通過進一步限定填孔碳源中多糖類物質(zhì)的具體成分以及多糖類物質(zhì)和苯的比例范圍，能完全利用多糖類物質(zhì)的高黏性將苯堵在活性炭的小孔隙中，進而降低閉孔體積，提高硬碳材料的快充能力。

13、當苯的含量偏高時，多糖類物質(zhì)的含量過低，多糖類物質(zhì)無法將苯完全堵在小孔隙中，導(dǎo)致閉孔體積增加，進而降低硬碳材料的快充能力；當苯的含量偏低時，多糖類物質(zhì)偏高，多糖類物質(zhì)完全包括住苯，使其無法釋放在小孔隙中，進而增加閉孔體積，降低硬碳材料的快充能力。

14、優(yōu)選的，s1中，所述填孔碳源和乙二醇水溶液的質(zhì)量體積比為（3-5）g:（50-70）ml，所述乙二醇水溶液中乙二醇的體積含量為45%-55%。

15、優(yōu)選的，s2中，所述填孔碳源和活性炭的質(zhì)量比為（3-5）:（2-4）。

16、通過限定填孔碳源和活性炭的比例，能保證填孔碳源完全填充在活性炭中，進而降低硬碳材料的閉孔體積，提高硬碳材料的快充能力。

17、優(yōu)選的，s2中，所述沉積的時間為3h-4h。

18、本發(fā)明進一步限定沉積的時間，能充分的將填孔碳源混合體系中物質(zhì)填充進活性炭中，進而降低硬碳材料的閉孔體積，提高硬碳材料的快充能力。

19、優(yōu)選的，s3中，所述保溫的時間為3h-4h。

20、優(yōu)選的保溫時間有利于進一步拓寬層間距，提高硬碳材料的快充能力。

21、本發(fā)明第二個方面提供一種硬碳材料，由上述硬碳材料的制備方法制備得到。

22、本發(fā)明第三個方面提供上述硬碳材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

23、利用本發(fā)明提供的硬碳材料制備電極片，能明顯提高電池的快充能力。

技術(shù)特征：

1.一種硬碳材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，s1中，所述填孔碳源中多糖類物質(zhì)和苯的質(zhì)量比為1:（1-2）。

3.如權(quán)利要求1或2所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，所述多糖類物質(zhì)為寡肽、寡糖、寡核苷酸或纖維素中至少一種。

4.如權(quán)利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，s1中，所述填孔碳源和乙二醇水溶液的質(zhì)量體積比為（3-5）g:（50-70）ml，所述乙二醇水溶液中乙二醇的體積含量為45%-55%。

5.如權(quán)利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，s2中，所述填孔碳源和活性炭的質(zhì)量比為（3-5）:（2-4）。

6.如權(quán)利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，s2中，所述沉積的時間為3h-4h。

7.如權(quán)利要求1所述的硬碳材料的制備方法，其特征在于，s3中，所述保溫的時間為3h-4h。

8.一種硬碳材料，其特征在于，由權(quán)利要求1-7任一項所述的硬碳材料的制備方法制備得到。

9.一種由權(quán)利要求1-7任一項所述的硬碳材料的制備方法制備得到的硬碳材料或權(quán)利要求8所述的硬碳材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電池材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體公開一種硬碳材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的硬碳材料的制備方法，通過將填孔碳源混合體系于高溫高壓下浸漬在活性炭中的大小孔隙，填孔碳源通過發(fā)生化學反應(yīng)在活性炭孔隙內(nèi)沉積成小分子碎片，進一步快速升溫至特定的溫度下保溫，使填孔碳源分解形成碳基質(zhì)堵塞孔道，并且活性炭中無序碳原子還能形成大量石墨域，形成石墨域期間由于不同的碳原子成核能壘差異，層間存在強烈的靜電排斥作用，進而拓寬了層間距。本發(fā)明提供的制備方法通過降低閉孔體積、拓寬層間距，極大地提高了硬碳材料應(yīng)用于電極片中的快充性能。

技術(shù)研發(fā)人員：孟祥輝,祁永軍,袁飛,王波,王新芳,孫渠江,劉鴻志,孫浩,周冰,張海鵬
受保護的技術(shù)使用者：國鈉能源科技（河北）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15