专利汇可以提供一种高容量倍率型碳基复合材料、其制备方法及在锂离子电池的用途专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 碳 基 复合材料 、其制备方法及用途。所述碳基复合材料包括微米级的软碳、微米级的硬碳、纳米活性物质、第一碳包覆层和第二碳包覆层,其中,所述第一碳包覆层包覆在纳米活性物质的表面,形成复合颗粒;所述复合颗粒分散在软碳、硬碳的表面,及第二碳包覆层中;所述第二碳包覆层包覆软碳、硬碳及复合颗粒。本发明的方法包括:1)对纳米活性物质进行碳包覆形成复合颗粒;2)将复合颗粒分散在软碳和硬碳表面,得到第一前驱体;3)使用有机物进行包覆改性;4)然后VC加热混合或混捏成型;5)高温 烧结 ,得到复合材料。本发明的复合材料非常适合作为 锂离子 电池 的负极活性物质,具有较高容量和首次充放电效率,而且 倍率性能 优异。,下面是一种高容量倍率型碳基复合材料、其制备方法及在锂离子电池的用途专利的具体信息内容。
1.一种碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料包括微米级的软碳、微米级的硬碳、纳米活性物质、第一碳包覆层以及第二碳包覆层;
其中,所述第一碳包覆层包覆在纳米活性物质的表面,形成复合颗粒;
所述复合颗粒分散在软碳、硬碳的表面,以及第二碳包覆层中;
所述第二碳包覆层包覆软碳、硬碳及复合颗粒。
2.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料的中值粒径为
1~45μm。
3.根据权利要求2所述的碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料的中值粒径为
5~25μm。
4.根据权利要求3所述的碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料的中值粒径为
8~15μm。
5.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述软碳与所述硬碳的中值粒径之比为1:(2~4)。
6.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述软碳的中值粒径为1~30μm。
7.根据权利要求6所述的碳基复合材料,其特征在于,所述软碳的中值粒径为2~15μm。
8.根据权利要求7所述的碳基复合材料,其特征在于,所述软碳的中值粒径特别优选为
3~9μm。
9.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述硬碳的中值粒径为1~30μm。
10.根据权利要求9所述的碳基复合材料,其特征在于,所述硬碳的中值粒径为2~20μm。
11.根据权利要求10所述的碳基复合材料,其特征在于,所述硬碳的中值粒径为3~13μm。
12.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述复合颗粒的粒径为3~9μm。
13.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述复合颗粒中,纳米活性物质的中值粒径为10~300nm。
14.根据权利要求13所述的碳基复合材料,其特征在于,所述复合颗粒中,纳米活性物质的中值粒径为15~250nm。
15.根据权利要求14所述的碳基复合材料,其特征在于,所述复合颗粒中,纳米活性物质的中值粒径为20~200nm。
16.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述复合颗粒中,第一碳包覆层的厚度为0.1~1.5μm。
17.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料含纳米活性物质1~60wt%,第一碳包覆层0.2~15wt%,软碳15~60wt%,硬碳15~60wt%,第二碳包覆层5~50wt%。
18.根据权利要求17所述的碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料含纳米活性物质10~50wt%,第一碳包覆层0.5~13wt%,软碳20~50wt%,硬碳20~50wt%,第二碳包覆层10~40wt%。
19.根据权利要求18所述的碳基复合材料,其特征在于,所述碳基复合材料含纳米活性物质14~40wt%,第一碳包覆层1~10wt%,软碳20~45wt%,硬碳20~45wt%,第二碳包覆层20~35wt%。
20.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述纳米活性物质为对锂具有电化学活性的材料。
21.根据权利要求20所述的碳基复合材料,其特征在于,所述纳米活性物质为活性金属、金属氧化物、金属合金化合物或活性非金属中的任意1种或至少2种的组合。
22.根据权利要求21所述的碳基复合材料,其特征在于,所述纳米活性物质为硅单质、锡单质、锑单质、锗单质、铝单质、镁单质、锌单质、稼单质、镉单质、钛氧化物、硅氧化物、锡氧化物、钴氧化物、铁氧化物、铜氧化物、锰氧化物、镍氧化物、锡锑合金、铟锑合金、银锑合金、铝锑合金、银锡合金、硅镁化合物或硅铁化合物中的任意1种或至少2种的组合。
23.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述软碳为:800~3200℃热处理后的易石墨化的非晶质系碳材料。
24.根据权利要求23所述的碳基复合材料,其特征在于,所述软碳为焦炭、碳纤维或中间相碳微球中的任意1种或至少2种的组合。
25.根据权利要求1所述的碳基复合材料,其特征在于,所述硬碳为:800~3200℃热处理后的难石墨化的非晶质系碳材料。
26.根据权利要求25所述的碳基复合材料,其特征在于,所述硬碳为树脂碳、有机聚合物热解碳、植物类硬碳或沥青类硬碳中的任意1种或至少2种的组合。
27.如权利要求1-26任一项所述的碳基复合材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)对纳米活性物质进行碳包覆,得到由纳米活性物质及第一碳包覆层构成的复合颗粒;
(2)将复合颗粒分散在微米级的软碳和微米级的硬碳的表面,得到第一前驱体;
(3)使用有机物对第一前驱体进行包覆改性,得到第二前驱体;
(4)对第二前驱体进行VC加热混合或者混捏成型,得到第三前驱体;
(5)对第三前驱体进行高温烧结,得到碳基复合材料。
28.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,所述方法还包括在步骤(5)后进行步骤(6):将步骤(5)得到的碳基复合材料进行破碎、筛分并除磁的步骤,得到碳基复合材料。
29.根据权利要求28所述的方法,其特征在于,步骤(6)得到的碳基复合材料的中值粒径为1~45μm。
30.根据权利要求29所述的方法,其特征在于,步骤(6)得到的碳基复合材料的中值粒径为5~25μm。
31.根据权利要求30所述的方法,其特征在于,步骤(6)得到的碳基复合材料的中值粒径为8~15μm。
32.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述碳包覆为均相包覆,采用气相包覆法。
33.根据权利要求32所述的方法,其特征在于,采用气相包覆法制备复合颗粒的工艺步骤为:将纳米活性物质置于反应炉中,通入保护性气体,升温至500~1200℃,通入有机碳源气体,保温,然后自然冷却,得到复合颗粒。
34.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述纳米活性物质为对锂具有电化学活性的材料。
35.根据权利要求34所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述纳米活性物质为活性金属、金属氧化物、金属合金化合物或活性非金属中的任意1种或至少2种的组合。
36.根据权利要求35所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述纳米活性物质为硅单质、锡单质、锑单质、锗单质、铝单质、镁单质、锌单质、稼单质、镉单质、钛氧化物、硅氧化物、锡氧化物、钴氧化物、铁氧化物、铜氧化物、锰氧化物、镍氧化物、锡锑合金、铟锑合金、银锑合金、铝锑合金、硅铁合金、银锡合金、硅镁化合物或硅铁化合物中的任意1种或至少2种的组合。
37.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述纳米活性物质的中值粒径为10~300nm。
38.根据权利要求37所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述纳米活性物质的中值粒径为15~250nm。
39.根据权利要求38所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述纳米活性物质的中值粒径为20~200nm。
40.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述反应炉为回转炉,且回转炉的转速为0.1~5r/min。
41.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述保护性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气中的任意1种或至少2种的组合。
42.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述升温的速率为0.5~20℃/min。
43.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述有机碳源气体为烃类或1~3个环的芳香烃类衍生物中的任意1种或至少2种的组合。
44.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述有机碳源气体为甲烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、苯乙烯或苯酚中的任意1种或至少2种的组合。
45.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述有机碳源气体的流量为0.1~20L/min。
46.根据权利要求33所述的方法,其特征在于,制备复合颗粒的工艺步骤中,所述保温的时间为0.1~10h。
47.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述软碳为:800~3200℃热处理后的易石墨化的非晶质系碳材料。
48.根据权利要求47所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述软碳为焦炭、碳纤维和中间相碳微球中的任意1种或至少2种的组合。
49.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述软碳的中值粒径为1~30μm。
50.根据权利要求49所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述软碳的中值粒径为2~15μm。
51.根据权利要求50所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述软碳的中值粒径为3~9μm。
52.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述硬碳为:800~3200℃热处理后的难石墨化的非晶质系碳材料。
53.根据权利要求52所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述硬碳为树脂碳、有机聚合物热解碳、植物类硬碳、沥青类硬碳的任意1种或至少2种的组合。
54.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述硬碳的中值粒径为1~30μm。
55.根据权利要求54所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述硬碳的中值粒径为2~20μm。
56.根据权利要求55所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述硬碳的中值粒径为3~13μm。
57.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述分散采用的方法为涂覆法。
58.根据权利要求57所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述分散采用的方法为液相涂覆法或固相涂覆法中的任意一种。
59.根据权利要求58所述的方法,其特征在于,所述液相涂覆法的工艺步骤为:将复合颗粒、分散剂、软碳和硬碳分散到有机溶剂体系中,干燥,得到第一前驱体。
60.根据权利要求59所述的方法,其特征在于,所述液相涂覆法的工艺步骤中,所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇对异辛基苯基醚、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、对乙基苯甲酸或聚醚酰亚胺中的任意1种或至少2种的组合。
61.根据权利要求59所述的方法,其特征在于,所述液相涂覆法的工艺步骤中,所述有机溶剂体系为醇、酮或醚中的任意1种或至少2种的组合。
62.根据权利要求59所述的方法,其特征在于,所述液相涂覆法的工艺步骤中,所述干燥为喷雾干燥或旋转蒸发干燥中的任意1种。
63.根据权利要求58所述的方法,其特征在于,所述固相涂覆法的工艺步骤为:将复合颗粒、软碳和硬碳置于融合机中,进行融合,得到第一前驱体。
64.根据权利要求63所述的方法,其特征在于,所述固相涂覆法的工艺步骤中,融合时的转速为500~3000r/min。
65.根据权利要求63所述的方法,其特征在于,所述固相涂覆法的工艺步骤中,融合时的刀具间隙宽度为0.01~0.5cm。
66.根据权利要求63所述的方法,其特征在于,所述固相涂覆法的工艺步骤中,融合的时间为至少0.5h。
67.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(3)所述有机物为聚合物、糖类、有机酸或沥青中的任意1种或至少2种的组合。
68.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(3)所述有机物为粉末状,中值粒径为0.1~25μm。
69.根据权利要求68所述的方法,其特征在于,步骤(3)所述有机物为粉末状,中值粒径为0.5~8μm。
70.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(3)所述包覆改性采用的方法为液相包覆改性法或固相包覆改性法中的任意1种。
71.根据权利要求70所述的方法,其特征在于,所述液相包覆改性法的工艺步骤为:将第一前驱体和有机物分散在有机溶剂体系中,干燥,实现包覆改性,得到第二前驱体。
72.根据权利要求71所述的方法,其特征在于,所述液相包覆改性法的工艺步骤中,所述有机溶剂体系为醚、醇或酮中的任意1种或至少2种的组合。
73.根据权利要求71所述的方法,其特征在于,所述液相包覆改性法的工艺步骤中,所述干燥为喷雾干燥或旋转蒸发干燥中的任意1种。
74.根据权利要求70所述的方法,其特征在于,所述固相包覆改性法的工艺步骤为:将第一前驱体和有机物置于VC高效混合机中,进行VC混合,得到第二前驱体。
75.根据权利要求74所述的方法,其特征在于,所述固相包覆改性法的工艺步骤中,VC混合时,调节转速为500~3000r/min。
76.根据权利要求74所述的方法,其特征在于,所述固相包覆改性法的工艺步骤中,VC混合的温度为100~700℃。
77.根据权利要求74所述的方法,其特征在于,所述固相包覆改性法的工艺步骤中,VC混合的时间为至少0.5h。
78.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(4)所述VC加热混合或者混捏成型的处理温度为50~400℃,处理时间为0.01~4h。
79.根据权利要求27所述的方法,其特征在于,步骤(5)所述高温烧结包括:将第三前躯体置于反应器中,通入保护性气体,升温至500~1200℃,保温,然后自然冷却,得到碳基复合材料。
80.根据权利要求79所述的方法,其特征在于,步骤(5)高温烧结的过程中,所述反应器为真空炉、箱式炉、回转炉、辊道窑、推板窑或管式炉中的任意1种。
81.根据权利要求79所述的方法,其特征在于,步骤(5)高温烧结的过程中,所述保护性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中的任意1种或至少2种的组合。
82.根据权利要求79所述的方法,其特征在于,步骤(5)高温烧结的过程中,所述升温的速率为0.5~20℃/min。
83.根据权利要求79所述的方法,其特征在于,步骤(5)高温烧结的过程中,保温的时间为0.5~10h。
84.一种锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池包含权利要求1-26任一项所述的碳基复合材料作为负极活性物质。
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