CN101209838B - 一种改性石墨的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种改性石墨的制备方法,该方法包括将石墨与明胶水溶液接触,然后过滤,干燥,得到石墨粗品,其中,该方法还包括将所述石墨粗品与交联剂水溶液接触,分离出吸附有交联剂的固体,将得到的固体干燥,在惰性气体保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在500-1800℃下焙烧至少0.5小时,所述交联剂为碳原子数为1-6的醛。采用本发明制得的石墨负极材料制得的电池的首次充放电效率很高,可达到95%以上,而采用现有技术制得的石墨制成的电池的首次充放电效率仅为87.7%,因此,本发明提供的方法大大降低了首次不可逆容量损失、提高了首次充放电效率。

Description

一种改性石墨的制备方法
技术领域
本发明是关于一种改性石墨的制备方法,尤其是关于一种锂离子二次电池用的改性石墨的制备方法。
背景技术
负极材料对于锂离子二次电池的容量的提高和循环性能的保证有着重要的意义。迄今为止,用于锂离子电池的负极材料有碳类(包括石墨、软碳、硬碳等)、金属氧化物、金属硫化物以及其他材料,其中以石墨等材料技术比较成熟,综合性能优,价廉易得,而其他材料或者在应用上存在一定问题,或者尚处于研究阶段。但是很多研究表明,锂离子电池所用的石墨负极材料存在首次不可逆容量损失大、首次充放电效率低的问题。
目前,克服该问题常采用的方法有很多种。例如,通过化学氧化或在氧气或二氧化碳中高温氧化石墨,使其表面生成含氧官能团,再用碱处理,以达到钝化石墨表面的目的,但这一方法比较繁琐,重现性较差,难以实现工业化生产。
还有用SiO2等氧化物对石墨表面进行包覆处理的方法。这种方法对不同来源的石墨结果差别很大,重现性不好。
另外,也有用硬碳对石墨进行包覆处理的方法。即选用特定的有机聚合物前驱体对石墨进行包覆处理,再在惰性气氛下通过高温处理,使石墨表面包覆一层硬碳材料。该方法存在的问题是很难将有机物前驱体均匀包覆在每一个石墨颗粒表面,而且经过高温烧结后的石墨颗粒之间相互连接在一起。经过硬碳包覆后的石墨材料的比表面积往往比未包覆前还高,使首次不可逆容量损失增加。
Gelatin-pretreated carbon particles for potential use in lithium ion batteries.Carbon,40(2002)1117-1122.提到了一种用明胶对石墨进行包覆的方法,该方法用0.2%的明胶水溶液在4-10℃下储存12小时以后,用0.1摩尔/升的氢氧化钾溶液或盐酸溶液调整pH值,然后按照3.5克石墨/100克明胶溶液的量加入石墨,在一定pH值、室温以及搅拌的条件下使石墨表面吸附明胶,然后过滤、洗涤、干燥,即得石墨负极材料。但是,本发明的发明人经研究发现,通过该方法处理的负极材料对减小首次不可逆容量损失、提高首次充放电效率有一定效果,但是,该处理方法重现性不好,石墨表面包覆的明胶膜不均一,且干燥后石墨颗粒粘结在一起,其比表面积较大,首次不可逆容量损失仍然较大,另外,明胶的直接加入会对电池性能(例如循环性能)造成影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中石墨负极材料首次不可逆容量损失大、首次充放电效率低的缺陷,提供一种首次不可逆容量损失小、首次充放电效率高的改性石墨的制备方法。
本发明提供了一种改性石墨的制备方法,该方法包括将石墨与明胶水溶液接触,然后过滤,干燥,得到石墨粗品,其中,该方法还包括将所述石墨粗品与交联剂水溶液接触,分离出吸附有交联剂的固体,将得到的固体干燥,在惰性气体保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在500-1800℃下焙烧至少0.5小时,所述交联剂为碳原子数为1-6的醛。
本发明通过将与明胶水溶液接触后的石墨粗品与交联剂水溶液接触,得到在石墨表面形成有微胶囊结构包覆层的石墨,然后将该石墨进行加热处理后,得到改性石墨。采用本发明制得的改性石墨作为负极材料制得的电池的首次充放电效率很高,可达到95%以上,而采用现有技术制得的石墨制成的电池的首次充放电效率仅为87.7%,因此,本发明提供的方法大大降低了首次不可逆容量损失、提高了首次充放电效率。
此外,本发明提供的方法能提高电池的循环性能,例如,采用本发明制得的石墨的电池的400次循环后的放电容量保持率均在80%以上,而采用现有技术制得的石墨的电池的400次循环后的放电容量保持率仅为71.3%,而采用未经处理的石墨直接制备得到的电池400次循环后的放电容量保持率只有55.6%。
具体实施方式
根据本发明,所述石墨与明胶水溶液接触,然后过滤,干燥,得到在表面包覆有明胶层的石墨粗品。
所述明胶是由动物的皮或骨中提取而得的蛋白质,可以商购得到。所述明胶水溶液可以按照常规的方法制备。例如,可以将明胶加入到水中,使其溶胀,然后在加热下将明胶溶解即得。所述加热的温度可以是50-100℃。所述明胶水溶液的浓度能使石墨分散开即可,因为所述明胶水溶液的浓度太大,石墨不容易分散,浓度太低,石墨表面吸附的明胶量不够,因此,所述明胶水溶液中明胶的含量为0.1-10重量%,优选为0.1-5重量%。所述明胶水溶液的量只要能够使石墨充分浸润即可,优选所述明胶水溶液的量为石墨重量的5-30倍。所述明胶水溶液在加热条件下粘度较低,容易搅拌,从而使石墨均匀分散,并在石墨表面均匀吸附,因此,所述接触的温度为50-100℃。所述接触的时间为至少1小时,但是接触时间过长,石墨表面吸附的明胶的量不会进一步增加,因此,为了提高生产效率,所述接触的时间优选为1-10小时。明胶水溶液的pH值对石墨表面明胶的吸附量影响较大,在碱性条件下,所述明胶的吸附量存在最大值,因此优选所述接触在明胶水溶液的pH值为8-12下进行。
所述过滤可以是常规的过滤方法。所述干燥为常规的干燥方法,例如,可以在50-200℃的干燥箱中加热1-5小时即可。优选在过滤步骤之后,对石墨粗品进行洗涤以除去石墨表面多余的明胶,以及降低石墨表面的pH值,所述洗涤可以用水进行洗涤,水的量可以是石墨粗品的1-40倍。
根据本发明,所述石墨负极材料的制备方法还包括将所述石墨粗品与交联剂水溶液接触,分离出吸附有交联剂的固体,将得到的固体干燥。其中,所述交联剂为碳原子数为1-6的醛,例如,可以是甲醛、乙醛、丙醛、丁醛和戊二醛中的一种或几种,所述交联剂水溶液中交联剂的含量为0.03-2重量%,优选为0.03-1重量%。所述交联剂水溶液的量只要能够使石墨粗品浸润即可,优选所述交联剂水溶液的量为石墨粗品重量的5-30倍,进一步优选为5-20倍。所述接触的时间为至少1小时,但是接触的时间过长,石墨粗品表面不会发生进一步变化,因此,为了提高生产效率,所述接触的时间优选为1-5小时,进一步优选为1-2小时。为使石墨粗品表面的明胶层充分交联,所述接触优选在搅拌下进行,所述搅拌可以是常规的搅拌方法。
所述石墨粗品与交联剂水溶液接触后,过滤,干燥。所述过滤可以是常规的过滤方法。所述干燥为常规的干燥方法,例如,可以在50-200℃的干燥箱中加热1-5小时即可。优选在过滤步骤之后,对改性石墨进行洗涤,所述洗涤可以用水进行洗涤,水的量可以是石墨粗品的1-40倍。
本发明所述的方法还包括在惰性气体保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在500-1800℃下焙烧至少0.5小时,得到改性石墨。所述焙烧的温度优选为700-1500℃。焙烧时间过长石墨表面性质不会发生进一步地改变,因此,所述焙烧的时间优选为1-8小时。所述惰性气体可以是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气和氮气中的一种或几种。
本发明所述石墨为常规锂离子电池用石墨材料,所述石墨可以商购得到。
下面通过实施例对本发明的制备方法作进一步说明。
实施例1
本实施例说明本发明提供的改性石墨的制备方法。
将10克明胶(国药集团化学试剂有限公司)加入到1升水中,待其溶胀后,加热到70℃使明胶溶解即得浓度为1重量%的明胶水溶液。通过水浴使明胶水溶液的温度恒定在70℃,将50克的石墨(山东青岛泰能石墨股份有限公司,BG-01)加入到上述明胶水溶液中,调节pH值为8,在搅拌下接触3小时,过滤,用1升的去离子水分三次洗涤,在温度为100℃的干燥箱中烘烤2小时,即得石墨粗品。
将上述制得的石墨粗品全部与500克浓度为0.5重量%的戊二醛水溶液在搅拌下进行接触,接触的时间为2小时。然后过滤,用1.5升的去离子水分三次洗涤,在温度为100℃的干燥箱中烘烤2小时。然后在氮气保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在800℃的加热炉中加热5小时,然后在该氮气气氛下冷却至常温,即得改性石墨A1。
对比例1
本对比例说明现有技术提供的改性石墨的制备方法。
按照实施例1的方法制备改性石墨,不同的是,所述制备过程只需制备得到石墨粗品即可,得到参比改性石墨D1。
实施例2
本实施例说明本发明提供的改性石墨的制备方法。
将30克明胶加入到1升水中,待其溶胀后,加热到80℃使明胶溶解即得浓度为3重量%的明胶水溶液。通过水浴使明胶水溶液的温度恒定在80℃,将100克的石墨(日本日立粉末冶金,GP-802)加入到上述明胶水溶液中,调节pH值为10,在搅拌下接触5小时,过滤,用2升的去离子水分三次洗涤,在温度为100℃的干燥箱中烘烤2小时,即得石墨粗品。
将上述制得的石墨粗品全部与3000克浓度为0.03重量%的甲醛水溶液在搅拌下进行接触,接触的时间为3小时。然后过滤,用3升的去离子水分三次洗涤,在温度为100℃的干燥箱中烘烤2小时。然后在氮气保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在1000℃的加热炉中加热4小时,然后在该氮气气氛下冷却至常温,即得改性石墨A2。
实施例3
本实施例说明本发明提供的改性石墨的制备方法。
将40克明胶加入到1升水中,待其溶胀后,加热到80℃使明胶溶解即得浓度为4重量%的明胶水溶液。通过水浴使明胶水溶液的温度恒定在80℃,将200克的石墨(日本日立化成,MAG)加入到上述明胶水溶液中,调节pH值为12,在搅拌下接触8小时,过滤,用2.5升的去离子水分三次洗涤,在温度为100℃的干燥箱中烘烤2小时,即得石墨粗品。
将上述制得的石墨粗品与3000克浓度为0.2重量%的甲醛水溶液在搅拌下进行接触,接触的时间为3小时。然后过滤,用4升的去离子水分三次洗涤,在温度为100℃的干燥箱中烘烤2小时。然后在氩气保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在1300℃的加热炉中加热3小时,然后在该氩气气氛下冷却至常温,即得改性石墨A3。
实施例4
本实施例用于说明采用本发明制得的改性石墨作为负极材料制成的电池。
(1)正极的制备
将100克正极活性成分LiCoO2、3克聚偏氟乙烯、4克导电剂乙炔黑加入到50克N-甲基-2-吡咯烷酮中,然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的正极浆料。
将该浆料均匀地涂布在铝箔上,然后150℃下烘干、辊压、裁切制得尺寸为400×43.5毫米的正极,其中含有5.8克活性成分LiCoO2
(2)负极的制备
将100克实施例1制得的改性石墨A1作为活性物质、3.5克PTFE、0.5克羧甲基纤维素钠,4克导电剂乙炔黑加入到120克水中,然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的负极浆料。
将该浆料均匀地涂布在铜箔上,然后在90℃下烘干、辊压、裁切制得尺寸为350毫米×44毫米的负极极片,其中含有2.8克实施例1制得的改性石墨A1作为活性成分。
(3)电池的装配
将上述正、负极片与聚丙烯膜卷绕成一个方型锂离子电池的极芯,随后将LiPF6按1摩尔/升的浓度溶解在EC/DMC=1∶1的混合溶剂中形成非水电解液,将该电解液以3.8g/Ah的量注入电池壳中,密封,制得锂离子电池B1。
对比例2
按照实施例4的方法进行电池的制备,不同的是,所述负极活性物质为对比例1制得的参比改性石墨D1。制得锂离子电池DD1。
对比例3
按照实施例4的方法进行电池的制备,不同的是,所述负极活性物质为购自山东青岛泰能石墨股份有限公可的型号为BG-01的石墨。制得锂离子电池DD2。
实施例5-6
按照实施例4的方法进行电池的制备,不同的是,所述负极活性物质分别为实施例2和实施例3制得的改性石墨A2和A3。制得锂离子电池B2和B3。
实施例7
本实施例用于说明实施例4制得的电池的性能。
(1)常温放电容量测试:
取实施例4制得的锂离子电池B1,使用BS-9300R二次电池性能检测装置进行首次充放电容量测试。测试环境为25℃、相对湿度30%,测定方法如下:
以1C电流充电至4.2V,然后以0.5C电流放电至3.0V,记录首次充电容量以及放电容量,按照下式求出首次充放电效率。结果如表1所示。
首次充放电效率=首次放电容量/首次充电容量×100%
(2)循环性能测试:
使用BS-9300R二次电池性能检测装置对上述电池B1进行测试,测试环境为25℃、相对湿度30%,测定方法如下:
以1C恒压充电至4.2伏之后,充电截止电流20毫安。搁置5分钟后,以1C放电至3.0伏,测定得到电池的初始放电容量。重复以1C恒压充电至4.2伏;再以1C放电至3.0伏的充放电过程,记录第400次循环后的放电容量,然后计算400次循环后的放电容量保持率。结果如表1所示。
其中,400次循环后的放电容量保持率=400次循环后放电容量/初始放电容量×100%
对比例4-5
按照实施例7的方法对对比例2-3制得的电池DD1和DD2进行性能测试。结果如表1所示。
实施例8-9
按照实施例7的方法对实施例5-6制得的电池B2和B3进行性能测试。结果如表1所示。
表1
  电池来源   实施例4   对比例2   对比例3   实施例5   实施例6
  电池编号   B1   DD1   DD2   B2   B3
  首次充电容量(毫安时)   358   357   356   369   384
  首次放电容量(毫安时)   342   313   267   352   367
  首次充放电效率(%)   95.5   87.7   75.0   95.4   95.6
  400次循环后的放电容量保持率   85.2   71.3   55.6   86.1   85.7
从表1可以看出,采用本发明实施例4-6制得的电池B1-B3的首次充放电效率很高,均达到95%以上,而对比例2的石墨仅用明胶水溶液进行处理,用该石墨制得的电池的首次充放电效率仅为87.7%,对比例3直接将石墨制成电池,首次充放电效率只有75.0%。因此,本发明提供的方法大大降低了首次不可逆容量损失、提高了首次充放电效率。
此外,采用本发明实施例4-6制得的电池B1-B3的400次循环后的放电容量保持率均在80%以上,而对比例2制得的电池DD1的400次循环后的放电容量保持率仅为71.3%,对比例3制得的电池DD2的400次循环后的放电容量保持率只有55.6%。因此,本发明提供的方法还提高了电池的循环性能。

Claims (7)

1.一种改性石墨的制备方法,该方法包括将石墨与明胶水溶液接触,然后过滤,干燥,得到石墨粗品,其特征在于,该方法还包括将所述石墨粗品与交联剂水溶液接触,分离出吸附有交联剂的固体,将得到的固体干燥,在惰性气体保护下,将干燥后的吸附有交联剂的固体在500-1800℃下焙烧至少0.5小时,所述交联剂为碳原子数为1-6的醛,所述交联剂水溶液中交联剂的含量为0.03-2重量%,所述交联剂水溶液的用量为石墨重量的5-30倍,所述石墨粗品与交联剂水溶液接触的时间为至少1小时。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述焙烧的温度为700-1500℃,焙烧的时间为1-8小时。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述交联剂为甲醛、乙醛、丙醛、丁醛和戊二醛中的一种或几种。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法,其中,所述交联剂水溶液中交联剂的含量为0.03-1重量%,所述交联剂水溶液的用量为石墨重量的5-20倍,所述石墨粗品与交联剂水溶液接触的时间为1-5小时。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述明胶水溶液中明胶的含量为0.1-10重量%,所述明胶水溶液的用量为石墨重量的5-30倍,所述石墨与明胶水溶液接触的温度为50-100℃,接触的时间为至少1小时。
6.根据权利要求1或5所述的方法,其中,所述明胶水溶液的pH值为8-12。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气和氮气中的一种或几种。
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