CN104507858A - 电化学高速率储存材料、方法和电极 - Google Patents

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Abstract

可通过如下方式生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料：提供碳化的前体材料，在第一加热步骤中、在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨，对热处理的碳材料进行纯化，以及在第二加热步骤中、在某一温度下对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间足以产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨。

Description

电化学高速率储存材料、方法和电极
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§120，要求2012年7月13日提交的美国申请系列第13/548,515号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
发明背景
领域
本发明涉及碳材料和用于生产碳材料的方法。
技术背景
可以将碳材料结合到电池(例如锂离子电池)的阳极中。在常规电池中，石墨用作阳极材料。但是，含石墨阳极在高电池容量率下会展现出差的性能。因此，需要一种在高电池容量率下具有改进的性能的阳极材料。
概述
本发明的构思通常地可适用于碳材料和制造碳材料的方法。根据一个实施方式，揭示了一种形成非活性的、大部分非石墨的无定形碳的方法。该方法包括：提供碳化的前体材料，在第一加热步骤中对前体材料进行加热以产生热处理的碳材料，该热处理的碳材料具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨含量，对热处理的碳材料进行纯化，以及在第二加热步骤中对纯化的碳材料进行加热以产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨含量。纯化的行为可包括以下至少一种：(a)用包含酸性化学物质的酸性化学溶液对热处理的碳材料进行处理，以及(b)用包含碱性化学物质的碱性化学溶液对热处理的碳材料进行处理。
根据其他实施方式，可以通过如下方式生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料：提供碳化的前体材料，在第一加热步骤中对碳化的前体材料进行加热以产生热处理的碳材料，通过用酸性化学溶液和/或碱性化学溶液进行处理来对热处理的碳材料进行纯化，以及对纯化的碳材料进行加热来产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。热处理的碳材料和非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可分别表征为：(i)小于约500m2/g的比表面积，以及(ii)大部分不是石墨，通过拉曼石墨化比例测得小于约2:1和/或X射线石墨化比例小于约10:1。
根据本发明的另一个实施方式，锂离子电池包含阳极、阴极和电解质，其中所述阳极包含非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。该非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可具有小于约500m2/g的比表面积并且小于约20质量％是石墨。因此，大部分非石墨的无定形碳材料可以同时是大部分非石墨且大部分是无定形的。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的各种实施方式的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。
附图简要说明
当结合以下附图阅读下面对本发明的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
图1是示例性非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的示意性斯托克斯拉曼偏移光谱图；
图2是示例性非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的示意性X射线衍射光谱图；
图3是锂离子电池的示意图；以及
图4是图3的锂离子电池的阳极的示意图。
发明详述
根据一个实施方式，一种用于生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的方法包括：提供碳化(例如预先碳化)的前体材料，在某一温度下、在第一加热步骤中对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间有效地产生热处理的碳材料，对热处理的碳材料进行纯化，以及在某一温度下、在第二加热步骤中对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间有效地产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。
在各种实施方式中，可以通过如下方式产生碳化的前体：在约800℃对合适的含碳材料加热约2小时，之后以600℃/小时冷却至室温。碳化的前体材料可以源自，例如可食用的谷物，如小麦粉、胡桃粉、玉米粉、玉米淀粉、大米粉和马铃薯粉。其他合适的含碳前体材料包括甜菜、粟、大豆、大麦和棉花。碳化的前体材料可以源自作物或植物，所述作物或植物可以是转基因的，也可以不是转基因的。碳化的前体可以是经研磨的材料，从而使得平均粒度可以约为5μm。
一种示例性的含碳材料是小麦粉。小麦粉是通过对麦粒进行碾磨而获得的，所述麦粒是小麦植物的种子。麦粒包括3个主要部分：胚乳、胚芽和麸皮。全麦粉包括麦粒的全部三个部分，而白面粉则仅由胚乳碾磨获得。
从组成上来说，小麦粉主要包含淀粉，但也天然地存在其他组分。小麦粉中的主要组分如下(近似百分数列于括号中)：淀粉(68-76％)、蛋白质(6-18％)、水分(11-14％)、胶质(2-3％)、脂类(1-1.5％)、灰分(<0.5％)和糖(<0.5％)。
淀粉构成小麦粉的主体。即使在被认为淀粉含量“低”的面包粉中，淀粉的含量也超过其他所有组分含量的总和。淀粉通常以小颗粒或细粒的形式存在于面粉中。大块的蛋白质将淀粉细粒结合在一起，将其原位保持在胚乳之内。构成谷蛋白的蛋白质，即麦谷蛋白和麦醇溶蛋白，通常约占胚乳中的蛋白质的80％。小麦粉中的其他蛋白质包括酶，例如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶。面粉中除了淀粉以外的其他碳水化合物包括胶质，特别是戊聚糖胶。戊聚糖胶是可溶性饮食纤维的来源。脂质包括油和乳化剂，灰分包括无机物质(矿物盐)，该无机物质可以包含铁、铜、钾、钠和锌。
根据各个实施方式，第一加热步骤(在纯化步骤之前)和第二加热步骤(在纯化步骤之后)分别产生热处理的碳材料以及非活性的且基本非石墨化的纯化的、热处理的碳材料。
如本文所定义，非活性的材料具有小于约500m2/g(例如，小于约500、450、400、350、300、250、200、150或者100m2/g)的比表面积。
如本文进一步所定义，基本非石墨化的材料展现以下至少一种：(a)百分比石墨化小于20重量％(例如，小于20、15、10、5、2或1重量％)，(b)拉曼石墨化比例小于2:1(例如，小于2:1或者小于1:1)，或者(c)X射线石墨化比例小于25:1(例如，小于25:1、10:1、5:1、2:1或者1:1)。
可以通过如下方式来测量石墨的重量含量，以测量材料的百分比石墨化：视觉测量(例如，通过检查样品的显微镜图像)，或者采用透视电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)来评定与石墨相相关的晶体含量的质量百分比。
可以采用拉曼光谱来测量材料的百分比石墨化。参见图1，可以通过斯托克拉曼偏移光谱100的性质来确定拉曼石墨化比例。用限定的波长(例如，785nm波长)的激光来产生用于确定拉曼石墨化比例的斯托克偏移光谱100，并以强度(I)与波数(1/λ)进行作图。
材料的斯托克偏移光谱100可包含具有G带峰114的有序带或者石墨带(G带)110，以及具有D带峰124的缺陷带(或者D带)120。对于785nm激发，G带峰114可以约为1580-1590cm-1，D带峰124可以约为1320-1360cm-1。G带110可具有等于G带峰114的强度(IG)的G带幅度112，D带120可具有等于D带峰124的强度(ID)的D带幅度122。从而可确定G带幅度112与D带幅度122的比例(IG/ID)，其等于材料的拉曼石墨化比例。
也可以采用X射线衍射来测量材料的百分比石墨化。参见图2，可以由X射线衍射光谱200确定X射线石墨化比例。采用Cu-Kα辐射来产生用于确定X射线石墨化比例200的X射线衍射光谱，并以衍射强度(I)与布拉格角2θ进行作图。
(在第一加热步骤之后的)热处理的碳材料或者(在第二加热步骤之后的)非活性的、大部分非石墨的无定形碳的X射线衍射光谱200可包括在约26°的第一峰210(对应石墨中的(002)基面)和在约44°的第二峰220(对应石墨中的(101)面)。第一峰210在约26°可具有等于第一峰210的强度(I002)的幅度212，以及第二峰220在约44°可具有等于第二峰220的强度(I101)的幅度222。从而可确定第一峰210在约26°的幅度212与第二峰220在约44°的幅度222的比例(I002/I101)，其等于材料的X射线石墨化比例。
从第一加热步骤，碳化的前体材料可转化成热处理的碳材料。热处理的碳材料可以是非活性的，例如在一个实施方式中，第一加热步骤可包括在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，其具有小于约500m2/g(例如，小于500、450、400、350、300、250、200、150或者100m2/g)的比表面积。
作为第一加热步骤的结果，热处理的碳材料可以是基本非石墨的。例如，第一加热步骤可产生热处理的碳，其包含小于约20重量％的石墨，例如小于20、15、10、5、2或者1重量％。在第一加热步骤之后，热处理的碳可包含约0-20重量％，例如1、2、5、10、15或者20重量％的石墨量。
在一个相关的实施方式中，第一加热步骤可包括在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，其具有小于约2、小于约1.5或者甚至小于约1的拉曼石墨化比例。
在另一个实施方式中，第一加热步骤可包括在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，其具有小于约25、小于约10、小于约5或者甚至小于约3的X射线石墨化比例(I002/I101)。
第一加热步骤可包括将碳化的前体材料加热至约800-1200℃，例如800、850、900、950、1000、1050、1100、1050或者1200℃的温度范围。在第一加热步骤过程中，可以200℃/小时的速率将温度升温至所需的温度。在一个实施方式中，可以将温度在最高温度保持约0.5-12小时(例如，约0.5、1、2、4、8、10或12小时)的持续时间。可以所需的速率(例如，炉率)，用气体物质流或者气体物质流的组合，例如N2、He或者Ar来降低温度。
在第一加热步骤之后，热处理的碳材料可以被纯化以产生纯化的、热处理的碳材料。纯化的行为可包括用于包含一种或多种酸性化学物质和/或一种或多种碱性化学物质的一种或多种化学溶液来清洗热处理的碳材料。
示例性的酸性化学物质包括但不限于，HCl、HClO4、HI、HBr、HNO3、H2SO4、CH3COOH、HCOOH、HF、HCN、HNO2，及其组合。如果使用的话，酸性化学物质可以是水性溶液中的，其中酸性化学物质的浓度可以约为5-50％，例如约为30-45％。
示例性的碱性化学物质包括但不限于，NH4OH、NaOH、KOH、Ba(OH)2、CH3NH2、C5H5N，及其组合。如果使用的话，碱性化学物质可以是水性溶液中的，其中碱性化学物质的浓度约为5-50％，例如约为25-35％。
在各个实施方式中，热处理的碳材料可以首先用包含酸性化学物质的至少一种化学溶液进行处理，然后用包括碱性化学物质的至少一种化学溶液进行处理，但是酸性处理和碱性处理可以任意顺序进行，例如，酸性清洁然后碱性清洁或者碱性清洁然后酸性清洁。
酸性溶液和/或碱性溶液的接触可以是足以使得热处理的碳材料的杂质至少部分纯化的任意时间段。例如，酸洗可去除金属杂质，例如但不限于，碱金属、碱土金属、过渡金属、重金属杂质，以及例如碱洗可去除有机物质，例如但不限于，卤化化合物、油和/或烟炱。
在一个实施方式中，酸洗可去除金属杂质，使得仅留下小于约300ppm的金属杂质。在另一个实施方式中，碱洗可去除有机杂质，使得仅留下小于约300ppm的有机杂质。例如，酸性物质和/或碱性物质的接触可持续约10分钟、约20分钟、约1小时、约2小时、约4小时、约8小时、约1天或者约数天。酸性和/或碱性物质的接触时间可以是如下时间范围：例如限定为本文所揭示的任意酸性和/或碱性物质的接触时间之间的范围。
不希望受到理论的限制，相信酸洗可去除至少约50％、至少约70％或者甚至至少约90％的金属化学物质，并且碱洗可去除至少约50％、至少约70％或者甚至至少约90％的有机化学物质。如果在碱洗之后进行酸洗的话，可以中和来自酸洗步骤的任意酸性物质。如果在酸洗之后进行碱洗的话，可以中和来自碱洗步骤的任意碱性物质。可以在纯化步骤之后并在第二加热步骤之前进一步用水清洗纯化的、热处理的碳材料，以去除任意残留的酸性物质或碱性物质。
在第二加热步骤中，可以将纯化的、热处理的碳材料转化成非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。所得的碳材料可以是非活性的，例如在一个实施方式中，第二加热步骤可包括在某一温度下对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间足以产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约500m2/g(例如，小于500、450、400、350、300、250、200、150或者100m2/g)的比表面积。
作为第二加热步骤的结果，纯化的、热处理的碳材料可以是基本非石墨的。例如，第二加热步骤可产生纯化的、热处理的碳，其包含小于约20重量％的石墨，例如小于20、15、10、5、2或者1重量％。在第二加热步骤之后，纯化的、热处理的碳可包含约0-20重量％，例如1、2、5、10、15或者20重量％的石墨量。
在一个相关的实施方式中，第二加热步骤可包括在某一温度下对纯化的、热处理的碳进行加热，加热的持续时间足以产生非活化的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约2:1、小于约1.5:1或者甚至小于约1:1的拉曼石墨化比例。
在另一个实施方式中，第二加热步骤可包括在某一温度下对纯化的、热处理的碳进行加热，加热的持续时间足以产生非活化的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约25:1、小于约10:1、小于约5:1或者甚至小于约3:1的X射线石墨化比例。
第二加热步骤可包括将纯化的、热处理的碳材料加热至约800-1200℃，例如800、850、900、950、1000、1050、1100、1050或者1200℃的温度范围。在第二加热步骤过程中，可以例如约200℃/小时的速率将温度升温至所需的温度。在一个实施方式中，可以将温度在最高温度保持约0.5-12小时(例如，约0.5、1、2、4、8、10或12小时)的持续时间。可以所需的速率(例如，炉率)，用气体物质流或者气体物质流的组合，例如N2、He或者Ar来降低温度。
从前述应理解的是，分别在第一和第二加热步骤中的各种加工温度和持续时间及其范围，碳材料中的百分比石墨，拉曼石墨化比例以及X射线石墨化比例，包括它们各自的范围，可以采用上述提及的性质和/或条件的任意一个或多个以任意合适的组合进行结合。
本发明还涉及通过如下方法产生的非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，所述方法包括如下行为：提供碳化的前体材料，在第一加热步骤中、在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，在纯化步骤中对热处理的碳材料进行纯化以产生纯化的、热处理的碳材料，以及在第二加热步骤中、在某一温度下对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间足以产生非活性、大部分非石墨的无定形碳材料。
在一个示例性方法中，通过如下方法对小麦粉进行碳化：在恒定N2流的情况下，以150℃/小时升温至800℃，在800℃保持2小时，并以600℃/小时冷却至室温。可以将碳化的前体材料研磨至平均粒度(d50)小于5微米。将碳化的前体材料装载到模型1212CM甑式炉中，并以200℃/小时的加热速率加热至1000℃，在1000℃保持2小时，然后冷却至室温。所得到的热处理的碳材料通过如下方式进行处理：在HCl中浸泡过夜，然后在氢氧化铵中第二次浸泡过夜。在纯化步骤之后，在氮气中，在1000℃对碳进行2小时的热处理。所得材料的BET比表面积约为12.6m2/g。非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的孔径分布数据总结见表1。
表1：非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的特性
本文所述的非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可适合用作电化学储存装置(例如但不限于电池、超级电容器)或者可采用碳基电极的任意其他电化学储存装置中的电极。此类电极可包括可任选地通过中间传导碳涂层或其他粘附层形成在集电器的一侧或两侧上的活性碳材料。例如，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可作为锂离子电池或者锂离子超级电容器的电极，并且可实现高的锂离子充电速率。在一个实施方式中，本文所述的大部分非石墨的无定形碳材料可作为阳极中的电化学活性组分。
如图3所示是示例性锂离子电池的示意图。锂离子电池10包括阳极20、阴极30和电解质60，其中阳极20包含具有本文所述的非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的活性组分40。在此类电池的运行过程中，离子50可穿过电解质60，从阳极20到阴极30，跨过隔板(separator)70。
图3的阳极20的构造如图4进一步详细显示。阳极20可包括，层形式的，集电器22、任选的传导中间涂层24、锂组分26以及电化学活性组分40。在各个实施方式中，阳极20内的活性组分40可包含约0.1-100重量％(例如，约1-99重量％或者约10-90重量％)的本文所述的非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。
在各种实施方式中，阳极活性材料还可包含至少一种粘结剂和/或粘附剂。示例性粘结剂和/或粘附剂包括但不限于，聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚醋酸乙烯酯(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯和聚丙烯酸酯。
粘结剂和/或粘附剂可占活性组分40的约0.01-50重量％，例如约0.1-49重量％，或者约1-40重量％，例如约10重量％。
在各个实施方式中，活性组分40还可包含至少一种传导促进剂，例如炭黑，金属纳米管、棒和线以及非对称形状；碳纳米管、棒、卷和线；石墨烯卷和片；(天然或合成)石墨；传导纳米颗粒；以及传导聚合物。传导促进剂可占活性涂层的约0.01-50重量％，例如约0.1-49重量％，约1-45重量％，例如约5重量％。
阳极电极材料，例如阳极的锂组分26可通过传导碳中间(粘附)涂层24单侧或双侧层叠到Cu或者其他锂稳定的金属合金型集电器22上。如果使用的话，传导中间层可包含约30-60重量％的炭黑颗粒以及约30-60重量％的石墨颗粒，所述炭黑颗粒的平均粒度约为0.1-1μm，所述石墨颗粒的平均粒度约为5-50μm。本文还可包含各种聚合物粘合剂。
用于电池(装置)制造的示例性阳极活性材料包括但不限于，LiTiS2、LiCoO2、LiNi1-yCoyO2、LiNiyMnyCo1-2yO2、LiFeO2、LiFePO4、LixV2O5、LiV6O13、LiNi1-yCoyO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNi1-y-zCoyAlzO2、LiNi1-yMnyO2以及LiNi1-yMn1-yCo2yO2。
电解质可包含盐和溶剂的混合物。锂盐可选自下组：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、二(三氟甲烷砜)酰亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)、二(全氟乙基磺酰)酰亚胺锂(LiN(SO2CF2CF3)2)、二(草酸合硼酸)锂(LiBOB)、二(五氟乙基磺酰)酰亚胺锂(LiBETI)、二(三氟甲基磺酰亚胺)锂(LiTFMSI)，及其组合，但不限于此。
溶剂可选自下组：丙烯腈、1,3-二氧戊环、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲酯、二甲氧基乙烷、碳酸丙基甲酯及其组合。电解质中锂盐的浓度范围可以约为0.5-2M。
本文所用“比容量”(mAh/g)指的是每重量的活性材料的可用的电荷总量或者可用的总安培-小时。“初始比容量损失”指的是第一次充电至第二次充电的比容量差。“C”值或者“C速率”(以安培测量)是材料的容量(Ah)除以1小时(h)。例如，许多便携式电池以1C鉴定等级。放电1C得到的电流等于评定的容量。举例来说，如果以1C速率放电的话，评定等级为1000mAh的电池提供1小时的1000mA。以C/2放电的相同电池提供2小时的500mA。在2C时，相同的电池传递30分钟的2000mA。“可逆比容量”(mAh/g)指的是在以恒定的C等级和电压截止窗口多次循环之后的保留的比容量。
采用LiPF6(1M)中1:1比例的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲基酯(DMC)来评价包含非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的阳极。碳材料与PVDF粘合剂以及n-甲基吡咯烷酮结合，浇铸、干燥并压延(calendar)以形成固体片。测试配置使用沃特曼GF/F隔板和三电极配置。三电极配置包括阳极材料工作电极、锂金属对电极以及锂金属参比电极，堆栈压力为5psi。
每种碳材料制造5个相同的电池，在C/5循环(对于前三次循环输入和输出，除了第一次循环是在C/20插入直至形成固体电解质中间相(SEI)(400mV)之后采用0.7-0.01伏特的电势窗进行C/5循环。固体电解质中间相是形成在碳阳极表面的钝化层，主要是在第一次循环时，由于石墨的还原性，其还原性地分解了电解质。在每次测试开始时测量电池阻抗。测量初始容量损失和可逆容量。
在一系列测试中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料展现约254mAh/g的平均可逆比容量。初始比容量损失测得约为80mAh/g。在各个实施方式中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可具有约200-300mAh/g的平均可逆比容量，并且可具有小于约100mAh/g的初始比容量损失。在其他实施方式中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料可具有约150-400mAh/g的平均可逆比容量，并且可具有小于约120mAh/g的初始比容量损失。
制造多个电极电池并在一定的C等级范围进行测试。Li离子C等级以如下变化：0.4、1、2、4、6、8、10、20和40。在所有测试中Li输出等级维持在约0.4C，以确保在循环之间释放了所有的Li。在一些实施方式中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料在1C等级下可具有大于或等于约80％的电容量保留。在一些实施方式中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料在2C等级下可具有大于或等于约75％的电容量保留。在其他实施方式中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料在5C等级下可具有大于或等于约40％的电容量保留。在其他实施方式中，非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料在10C等级下可具有大于或等于约20％的电容量保留。
非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的电荷容量保留可表征为如下百分比保留电荷：1C等级下至少80％，2C等级下至少75％，5C等级下至少40％，以及10C等级下至少20％。
出于描述和限定本发明的目的，应注意，本文所用术语“基本”、“近似”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其它表示方法造成的内在不确定性。本文所用术语“基本”和“约”还用来表示数量的表达值与所述的参比值的偏离程度，这种偏离不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变。
应注意，在本文中使用的术语如“通常”不用来限制要求保护的发明的范围或者暗示某些特征对于要求保护的发明的结构或功能是关键的、必要的或者甚至是重要的。相反地，这些术语仅仅旨在表明本发明的实施方式的具体方面或者强调可以或不可以用在本发明的具体实施方式中的替代或附加特征。
在结合具体实施方式详细描述了本发明的主题之后，应当指出，本文披露的各种细节不应理解为暗示着这些细节涉及属于本文所述各种实施方式的实质性组成的要素，即便在本文所附的每幅图中都示出了特定要素的情况下也是如此。相反，本文所附权利要求书应理解为唯一表达了本发明的广度和本文所述各项实施方式的相应范围。此外，在不背离所附权利要求书的范围的前提下，显然可以作出各种改变和变化。

Claims (19)

1.一种用于生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的方法，所述方法包括：
提供碳化的前体材料；
在第一加热步骤中，在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨；
通过如下方式对热处理的碳材料进行纯化以产生纯化的、热处理的碳材料：用包含酸性化学物质的酸性化学溶液和包含碱性化学物质的碱性化学溶液中的至少一种对热处理的碳材料进行清洗；以及
在第二加热步骤中，在某一温度下对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间足以产生非活性、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非活性、大部分非石墨的无定形碳具有小于约2:1的拉曼石墨化比例。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非活性、大部分非石墨的无定形碳具有小于约25:1的X射线石墨化比例。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理的碳材料具有小于约10质量％的石墨，并且所述非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料具有小于约10质量％的石墨。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸性化学物质选自：HCl、HClO4、HI、HBr、HNO3、H2SO4、CH3COOH、HCOOH、HF、HCN、HNO2及其组合。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱性化学物质选自：NH4OH、NaOH、KOH、Ba(OH)2、CH3NH2、C5H5N及其组合。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯化包括在用碱性化学溶液对热处理的碳材料进行清洗之前用酸性化学溶液对热处理的碳材料进行清洗。
8.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在第二加热步骤之前用水清洗纯化的、热处理的碳材料。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第二加热步骤过程中，在惰性气体环境中对纯化的、热处理的碳材料进行加热，所述惰性气体环境包括选自下组的至少一种气体：N2、He和Ar。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一加热步骤的温度约为800-1200℃。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二加热步骤的温度约为800-1200℃。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一加热步骤的持续时间约为0.5-12小时，所述第二加热步骤的持续时间约为0.5-12小时。
13.通过权利要求1所述的方法生产的非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料。
14.一种用于生产非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料的方法，所述方法包括：
提供碳化的前体材料；
在第一加热步骤中，在某一温度下对碳化的前体材料进行加热，加热的持续时间足以产生热处理的碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积并且具有以下至少一种：小于约2:1的拉曼石墨化比例和小于约25:1的X射线石墨化比例；
通过如下方式对热处理的碳材料进行纯化以产生纯化的、热处理的碳材料：用包含酸性化学物质的酸性化学溶液和包含碱性化学物质的碱性化学溶液中的至少一种对热处理的碳材料进行清洗；以及
在第二加热步骤中，在某一温度下对纯化的、热处理的碳材料进行加热，加热的持续时间足以产生非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，其具有小于约500m2/g的比表面积并且具有以下至少一种：小于约2:1的拉曼石墨化比例和小于约25:1的X射线石墨化比例。
15.一种包含阳极、阴极和电解质的锂离子电池，其中所述阳极包含非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料，所述非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料具有小于约500m2/g的比表面积和小于约20质量％的石墨。
16.如权利要求15所述的锂离子电池，其特征在于，所述非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料是通过权利要求1的方法生产的。
17.如权利要求15所述的锂离子电池，其特征在于，所述非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料具有约200-300mAh/g的平均可逆比容量，并且具有小于约100mAh/g的初始比容量损失。
18.如权利要求15所述的锂离子电池，其特征在于，所述非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料在2C下具有大于或等于约75％的电容量保留。
19.如权利要求15所述的锂离子电池，其特征在于，所述非活性的、大部分非石墨的无定形碳材料在10C下具有大于或等于约20％的电容量保留。
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