CN101087021B - 锂离子电池用人造石墨负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池用人造石墨负极材料的制备方法,要解决的技术问题是使负极材料具有高的放电容量、库仑效率和长的循环寿命,本发明的制备方法包括以下步骤:将煤系或石油系针状焦粉碎,预热处理,添加改性剂和催化剂,干燥制粒,在800℃~3000℃温度范围内热处理1~48小时,本发明与现有技术相比,负极材料采用针状焦粉碎,经过热处理,克服了高结晶度石墨材料不能在PC溶剂的电解液体系中稳定循环的缺点,并且能够大倍率放电,可用于锂离子动力电池,且工艺简单,易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池用负极材料的制备方法,特别是一种用于锂离子动力电池,以及要求较高压实比和适用于PC溶剂体系的人造石墨负极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池是自上个世纪九十年代以来继镍氢电池之后的新一代二次电池。因其具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应的优点,成为目前高档电子消费品首选的化学电源,并已经渗透到航空航天、军事等尖端技术领域。伴随着其与日俱增的需求,锂离子电池正成为新世纪科学技术研究与开发的重点和热点。目前商品化锂离子电池的负极材料主要为碳材料,而且主要是石油焦碳和石墨类材料,其中高结晶度的石墨负极材料具有高的充放电容量、良好的充放电平台,但其大倍率放电性能较差,不能够满足动力锂离子电池的要求,并且高结晶度的石墨不能够用于含有PC溶剂的电解液体系,而PC溶剂作为电解液的溶剂能够使电池具有优异的高低温性能而在电池中得到广泛应用;而人造石墨负极材料具有更好的倍率放电性能,并且能够用于PC电解液体系,循环稳定,但是容量较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池用人造石墨负极材料的制备方法,要解决的技术问题是使负极材料具有高的放电容量、库仑效率和长的循环寿命, 并且能够适用于含PC溶剂的电解液体系,满足锂离子动力电池对负极材料大倍率充放电性能的要求,降低生产成本。
本发明采用以下技术方案:一种锂离子电池用人造石墨负极材料的制备方法,包括以下步骤:一、将煤系或石油系针状焦粉碎至粒度在5~18μm范围;二、、将针状焦粉碎后在50-160℃进行预热处理1-5小时;三、添加占针状焦大于0~10wt.%的改性剂和占针状焦大于0~10wt.%的催化剂,混合,然后在100℃~300℃温度范围内喷雾干燥制粒,催化剂是磷酸、P2O5、硼、B4C、BN、锆、锆氧化物、钛、硅中的一种以上;四、在800℃~3000℃温度范围内热处理1~48小时,然后降温到室温,得到负极材料。
本发明的方法降温到室温后进行筛分得到平均粒径在5~35μm的产品。
本发明的改性剂是可炭化的有机物的一种以上,所述可炭化的有机物是呋喃树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶SBR,羧甲基纤维素CMC、焦炭、煤沥青或石油沥青。
本发明的预热处理和热处理时,充入保护性气体:氮气、氩气、氦气、氖气或二氧化碳。
本发明与现有技术相比,负极材料采用针状焦粉碎,经过热处理,克服了高结晶度石墨材料不能在PC溶剂的电解液体系中稳定循环的缺点,并且能够大倍率放电,可用于锂离子动力电池,以该材料作负极的锂离子二次电池放电容量高、循环性能优良和具有较低的生产成本,且工艺简单,易于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1的锂离子电池用人造石墨负极材料的电镜照片。
图2是本发明实施例1的锂离子电池用人造石墨负极材料的XRD测试图。
图3是本发明实施例1的锂离子电池用人造石墨负极材料的充放电曲线图。
图4是本发明实施例2的锂离子电池用人造石墨负极材料的电镜照片。
图5是本发明实施例2的锂离子电池用人造石墨负极材料的XRD测试图。
图6是本发明实施例2的锂离子电池用人造石墨负极材料的充放电曲线图。
图7是比较例中,针状焦经过粉碎处理后的电镜照片。
图8是比较例中,针状焦经过粉碎处理后的XRD测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的锂离子电池用人造石墨负极材料,具有块状、球形或长径比在1.5~4之间的近球形的微观特征,其具有350mAh/g以上的比容量,比表面积小于3.0m2/g,极片密度大于1.75g/cm3,平均粒径在5~35μm之间,晶体层间距d002在0.336nm到0.346nm之间。
其制备方法包括以下步骤:
一、将煤系或石油系针状焦粉碎机械粉碎后粒度在5~18μm范围。
二、将粉碎后的针状焦在50-160℃预热处理1-5h,预热过程中充入氮气、氩气、氦气、氖气或二氧化碳。
三、添加占针状焦大于0~10wt.%的改性剂、或/和占针状焦大于0~10wt.%的催化剂;改性剂为可炭化的有机物的一种或一种以上:呋喃树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈(PAN)、丁苯橡胶(SBR),纤维素(CMC)、焦炭、煤沥青或石油沥青;催化剂为磷的化合物:磷酸、P2O5,硼,硼的化合物:B4C、BN、B2O3、H3BO3,锆,锆氧化物,钛,硅中的一种或一种以上,混合后在100℃~300℃温度范围内喷雾干燥制粒。
四、在800℃~3000℃温度范围内高温热处理1~48小时,充入氮气、氩气、氦气、氖气或二氧化碳,然后降温到室温。
五、进行筛分,得到平均粒径在5~35μm的产品。可根据不同的粒度要求进行筛分,得到最终产品。
粉碎后的针状焦经过高温石墨化处理后得到具有比容量350mAh/g以上,比表面积小于3.0m2/g的人造石墨负极材料;预热处理后添加改性剂、催化剂并经过高温热处理石墨化后得到具有比容量360mAh/g以上,比表面积小于2.0m2/g,形状近似球形长径比在1.5~4之间的高容量、高压实比(极片密度大于1.75g/cm3)的人造石墨负极材料,并且制备工艺简单、生产成本较低。
上述人造石墨负极材料的平均粒径在5~35μm之间,晶体层间距d002在0.336nm到0.346nm之间。
在本发明中,人造石墨负极材料的平均粒径在5~35μm之间,在用于动力电池负极材料时,将粒径控制在较小的尺寸范围,提高倍率放电性能;用于高比能量的小型电池时,粒径控制在较大的范围,以减小首次循环的不可逆容量损失。粒度分布的范围稍宽时,颗粒粒径大小上存在互补,这样可以使大颗粒的改性人造石墨之间填充小颗粒的人造石墨,进一步优化负极材料中石墨粒子的微观排列,提高振实密度和极片的压实密度及负极材料颗粒之间的结合强度,减少反复充放电过程中的层状剥离,不仅提高了电池的可逆容量和循环寿命,而且改善了大电流充放电性能和电池的安全性能。
本发明的人造石墨负极材料的晶体层间距d002在0.336nm到0.346nm之间,用于高比容量的锂离子电池时选用较小的层间距和较高的结晶度;用于锂离子动力电池和PC溶剂体系时,选用较大的层间距和较低的结晶度。
通常的锂离子电池人造石墨负极材料在改性处理之前,由于其本身的电化 学可逆储锂容量较低,常规的包覆处理后影响了负极材料的整体容量,为了进一步实现本发明的技术效果,本发明采用了在制备过程中添加改性剂的方法对人造石墨进行改性,改性剂的作用在于改善可炭化的有机物如沥青热解炭的晶体结构,加速针状焦在碳化及石墨化过程中由无定形乱层碳向部分有序石墨的转变,或适当增大负极碳材料的层间距,使锂离子在碳材料层间的嵌入脱出更为容易,增大可逆容量及提高首次循环效率。
热预处理和高温热处理过程中采用的保护性气体是氮气、氩气、氦气、氖气或二氧化碳。
利用本发明的锂离子电池用人造石墨负极材料制备电池的负极,采用上述负极材料添加粘结剂、增稠剂及溶剂,进行搅拌制浆、涂覆在铜箔上,经过烘干、碾压制得。所用粘结剂是溶于N-甲基吡咯烷酮的聚偏氟乙烯PVDF、水溶性的丁苯橡胶乳SBR、羧甲基纤维素钠CMC、成都有机化学所生产的LA-133。所用正极材料是含锂离子的各种复合氧化物,如:LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4,所用电解液采用通用的各种电解质和溶剂,电解质是无机电解质和有或电解质,如LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiBF6或Li(CF3SO2)2N,溶剂一般由高介电常数的碳酸环烯酯和低粘度的链烃碳酸酯混合而成,如碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二甲酯DMC、碳酸二乙酯DEC或碳酸甲乙酯MEC等。使用本发明的人造石墨负极材料制造锂离子电池所用隔膜没有限制,可以使用市售的聚乙烯PE、聚丙烯PP或聚乙丙烯PEP复合膜。
实施例1:石油系针状焦粉碎至D50=18μm左右,在80℃预热处理2h后,与2.5wt.%硼酸的水溶液充分混合制成悬浮液,在180℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至1100℃后保温2小时,降至室温,得到人造石墨负极材料如图1所示,其平均粒径D50为18.4μm,比表面积2.8m2/g, 如图2所示,晶体层间距d002为0.340nm,如图3所示,具有较好的充放电性能。
实施例2:石油系针状焦粉碎至D50=5μm左右,在120℃预热处理4h后,与2wt.%Si充分混合,在250℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,在2500℃石墨化处理48小时,降至室温,得到人造石墨负极材料如图4所示,其平均粒径D50为5.5μm,比表面积1.7m2/g,如图5所示,晶体层间距d002为0.337nm,如图6所示,具有较好的充放电性能。
如图1所示,本发明的人造石墨负极材料经过喷雾干燥制粒、表面包覆改性及热处理后其粒形发生了较大变化,如图7所示,针状焦在改性处理之前,其粒形为不规则的条块状,微粉较多,比表面积较大;经过改性处理后,粒形向球形或近球形改变,特别是经过高温石墨化处理之后,所图4所示,其粒形进一步圆整化,比表面积大幅度降低,为减少负极材料的不可逆容量损失提供了保证。
实施例3:煤系针状焦粉碎至D50=30μm左右,在160℃预热处理1h后,与1.5wt.%硼酸+10wt.%SBR的水溶液充分混合制成悬浮液,在150℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至800℃后保温10小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平均粒径D50为34.2μm,比表面积2.9m2/g,晶体层间距d002为0.344nm。
实施例4:煤系针状焦粉碎至D50=12μm左右,在50℃预热处理5h后,与2.5wt.%B4C充分混合,在180℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至2400℃后保温2小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平均粒径D50为12.4μm,比表面积1.5m2/g,晶体层间距d002为0.336nm。
实施例5:煤系针状焦粉碎至D50=12μm左右,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至3000℃后保温12小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平 均粒径D50为12.1μm,比表面积1.3m2/g,晶体层间距d002为0.338nm。
实施例6:石油系针状焦粉碎至D50=10μm左右,在100℃预热处理3h后,与2.0wt.%磷酸+10wt.%环氧树脂的乙醇溶液充分混合制成悬浮液,在140℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至2000℃后保温1小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平均粒径D50为10.3μm,比表面积2.4m2/g,晶体层间距d002为0.339nm。
实施例7:煤系针状焦粉碎至D50=23μm左右,在160℃预热处理5h后,与10wt.%锆氧化物充分混合,在200℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至1000℃后保温38小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平均粒径D50为23.8μm,比表面积1.9m2/g,晶体层间距d002为0.338nm。
实施例8:石油系针状焦粉碎至D50=15μm左右,在120℃预热处理4h后,与6wt.%聚丙烯腈PAN充分混合制成悬浊液,在110℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至2600℃后保温16小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平均粒径D50为15.4μm,比表面积2.5m2/g,晶体层间距d002为0.336nm。
比较例:将煤系针状焦粉碎至D50=18μm左右,测得其平均粒径D50为18.6μm,比表面积6.4m2/g,晶体层间距d002为0.346nm。将此针状焦直接作为锂离子电池负极材料。
负极材料的物理性能测试
在上述实施例中,平均粒径由英国Malvern-Mastersizer 2000激光粒度分析仪测出,比表面积采用氮气置换的BET法测出,晶体层间距由帕纳科X′Pert X-射线衍射仪测出,扫描电镜由中科科仪KYKY-2800B测出。
压实密度的计算方法:
压实密度=(负极片重量-铜箔重量)/(极片面积*极片压实后的厚度)
电化学性能测试
分别将上述实施例和比较例制得的锂离子电池负极材料、水溶性粘结剂LA133和导电剂按照96∶3∶1的质量比混合制浆,涂于铜箔集电极上,真空干燥后作为负极;以锂为对电极,1MLiPF6的三组分混合溶剂EC∶DMC∶EMC=1∶1∶1,v/v溶液为电解液,隔膜为PE/PP/PE复合膜,组装成模拟电池,以0.5mA/cm2(0.2C)的电流密度进行恒流充放电实验,充放电电压限制在0.005~2.0伏,测试负极材料的首次充电比容量、首次放电比容量和首次充放电效率。采用常规生产工艺装配成品电池,正极材料选用LiCoO2,使用1MLiPF6的EC/DMC/MEC溶液为电解液,隔膜为PE/PP/PE复合膜。对模拟电池进行首次充放电容量测试,对成品电池进行循环性能测试。测试方法及数据计算如下:
首次充电比容量:以0.2C的电流首次充电至0.005V的充电容量/负极活性物质质量;
首次放电比容量:以0.2C的电流首次放电至2.0V的放电容量/负极活性物质质量;
首次充放电效率=(首次充电容量/首次放电容量)×100%。
循环性能测试:以1C的电流充电至4.2V,再以1C的电流放电至3.0V;
100周容量保持率=(第100次循环的放电容量/首次放电容量)×100%。
大电流放电性能测试:
C2C/C0.5C=(以2C的电流从4.2V放电到3.0V的放电容量/以0.5C的电流从4.2V放电到3.0V的放电容量)×100%。
测试结果列于表1。测试结果显示,用本发明的方法制备的锂离子电池用人造石墨负极材料,具有比容量在350mAh/g以上、循环性能优良、放电性能好的 特点。本发明的制备方法制备工艺简单,生产成本较低。
本发明的实施例中,改性剂仅列举了丁苯橡胶和聚丙烯腈,呋喃树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、纤维素(CMC)、焦炭、煤沥青或石油沥青与丁苯橡胶、聚丙烯腈,具有在高温下缩聚、热解碳化形成非石墨化碳的性质,作为可炭化的有机物改性剂,在本发明的方法炭化或石墨化过程中,发生交联固化,分解成气体和炭材料,增大负极碳材料的层间距,使锂离子在碳材料层间的嵌入脱出更为容易,增大可逆容量及提高首次循环效率,因而都适用于本发明的方法。
本发明中的实施例中,催化剂列举出了B4C、Si、H3BO3 B4C和锆氧化物,B4C、Si、H3BO3 B4C和锆氧化物与磷酸、P2O5、硼、BN、B2O3、H3BO3、锆和钛,具有在高温下还原成单质,与碳原子结合形成相应的碳化物,继续升温至碳化物分解温度时,碳化物发生分解反应形成单质掺杂组元与碳,而这种由碳化物分解产生的碳具有很好的石墨结构,随着这一过程周而复始地不断进行,从而可以增大石墨的结晶度及碳原子的排列有序程度;或者掺杂组元与碳基体反应生成液相,这种碳过饱和的液相优先溶解无序碳而石墨晶体被结晶析出,从而起到催化石墨化作用,这些改性添加剂作为催化剂,在本发明的方法中可以增加锂离子的嵌入量,提高了人造石墨的晶体结构,增大针状焦在碳化及石墨化过程后的有序度,使针状焦在炭化或石墨化过程中由无定形乱层碳向部分有序石墨的转变加快,因而都适用于本发明的方法。
本发明中的实施例中,列举出了保护气体氮气,氩气、氦气、氖气或二氧化碳与氮气作为惰性气气体或非氧化性气体,具有防止碳材料及改性剂氧化的作用,作为保护性气体,在本发明的炭化或石墨化过程中,不会与碳材料发生 反应,起到气氛保护的作用,进而都适用于本发明的方法。
表1.电化学性能测试结果
序号 | 针状焦+ 改性剂 | 热处理 工艺 | 压实密度 g/cm3 | 首次放电 比容量 mAh/g | 100周循环 容量保持率 % | 大电流 放电性能 C2C/C0.5C % |
实施 例1 | 石油焦+ 2.5wt.%硼酸 | 1100℃, 2小时 | 1.75 | 352 | 97.2 | 96.8 |
实施 例2 | 石油焦+ 2wt.%Si | 2500℃, 48小时 | 1.75 | 363 | 97.3 | 95.1 |
实施 例3 | 煤系针状焦+ 1.5wt.%硼酸 +10wt.%SBR | 800℃, 10小时 | 1.75 | 350 | 98.8 | 96.9 |
实施 例4 | 煤系针状焦+ 2.5wt.%B4C | 2400℃, 2小时 | 1.75 | 365 | 97.7 | 94.7 |
实施 例5 | 煤系针状焦 | 3000℃, 12小时 | 1.75 | 362 | 98.2 | 95.4 |
实施 例6 | 石油焦+2.0wt.% 磷酸+10wt.%环 氧树脂 | 2000℃, 1小时 | 1.75 | 355 | 97.4 | 95.8 |
实施 例7 | 煤系针状焦+ 10wt.%锆氧化 物 | 1000℃, 38小时 | 1.75 | 360 | 97.6 | 96.3 |
实施 例8 | 石油焦+6 wt.%PAN | 2600℃, 16小时 | 1.75 | 354 | 97.1 | 95.6 |
比较 例 | 煤系针状焦 | / | 1.65 | 220 | 90.1 | 91.5 |
Claims (2)
1.一种锂离子电池用人造石墨负极材料的制备方法,包括以下步骤:
一、将煤系或石油系针状焦粉碎至粒度在5~18μm范围;
二、将针状焦粉碎后在50-160℃进行预热处理1-5小时;
三、添加占针状焦大于0~10wt.%的改性剂和占针状焦大于0~10wt.%的催化剂,混合,然后在100℃~300℃温度范围内喷雾干燥制粒,其中,所述改性剂是可炭化的有机物的一种以上,所述可炭化的有机物选自呋喃树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶,羧甲基纤维素、焦炭、煤沥青或石油沥青,所述催化剂选自磷酸、P2O5、硼、B4C、BN、锆、锆氧化物、钛、硅中的一种以上;
四、在800℃~3000℃温度范围内热处理1~48小时,然后降温到室温,进行筛分得到平均粒径在5~35μm的负极材料;
在二步所述的预热处理和四步所述的热处理时,充入保护性气体:氮气、氩气、氦气、氖气或二氧化碳;
制备所得锂离子电池用人造石墨负极材料具有块状、球形或长短径比在1.5-4之间的近球形的微观特征,其具有350mAh/g以上的比容量,比表面积小于3.0m2/g,极片密度大于1.75g/cm3,晶体层间距d002在0.336nm到0.346nm之间。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:石油系针状焦粉碎至D50=10μm左右,在100℃预热处理3h后,与2.0wt.%磷酸+10wt.%环氧树脂的乙醇溶液充分混合制成悬浮液,在140℃的条件下喷雾干燥制粒,将上述颗粒料在氮气的保护下,升温至2000℃后保温1小时,降至室温,得到人造石墨负极材料,其平均粒径D50为10.3μm,比表面积2.4m2/g,晶体层间距d002为0.339nm。
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