CN102005559B - 锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法 - Google Patents

锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

发明公开了一种锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法,属于锂离子电池石墨负极材料技术。该方法过程包括:将煤沥青或煤沥青与煤焦油的混合物加入反应釜内,在350~480℃,聚合5~15小时,将该反应产物与未反应的原材料导入冷却槽中降温停止反应,然后用离心装置将固体物质——中间相沥青微球离心出来,将得到的中间相沥青微球干燥并用KMnO4/甲苯溶液中浸渍,然后将甲苯在低温下回收并将浸渍有KMnO4的中间相沥青微球在2300℃进行石墨化,石墨化度大于89%。本发明的特点在于,降低中间相石墨微球的原料纯度和成本,降低高温石墨化成本,提高中间相石墨微球的市场竞争力。

Description

锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法,属于锂离子电池石墨负极材料技术。 
背景技术
我国的锂电池研究已持续近20年,随着对现有材料和电池设计技术的改进以及新材料的出现,锂离子电池的应用范围不断被拓展。目前中国已成为仅次于日本的世界第二大锂离子电池生产国,在锂离子电池技术相对稳定的背景下,锂离子电池本身的较高价格就成为锂离子电池发展的瓶颈。 
其中锂离子电池负极材料的性价比直接影响锂离子电池的性价比。天然石墨材料的价格较低,但是因为天然石墨本身在循环、倍率、批次一致性、高低温等性能方面的缺陷,造成天然石墨——包括天然石墨改性和天然石墨包覆材料很难应用于高端锂离子电池中。而中间相石墨微球作为人造石墨的一种,具有明显的性能优势:(1)长循环性能。中间相石墨微球配合循环性能优良的正极和电解液等体系,在正常使用情况下,循环2000次仍然有80%以上的容量剩余;(2)倍率性能。中间相石墨微球因为具有良好的石墨层状结构和锂离子嵌入一脱嵌通道,使得中间相石墨微球具有优异于其他材料的倍率充电和倍率放电性能,使用中间相石墨微球作为负极的锂离子电池在30倍正常充电电流下充电,仍然能够充到额定容量的80%以上;(3)高低温性能。人造石墨中间相石墨微球表面结构完美,与PC基电解液配合使用而不会产生明显的副反应,使得此配合锂离子电池可以在低温情况下应用,同样,由于内部结构的稳定性,该材料不会发生类似天然石墨在较高温度下产生与电解液中溶剂剧烈的副反应。人造石墨中间相石墨微球虽然具有上述很突出的优点,但是由于人造石墨的高温石墨化费一般要达到2800度以上,所以石墨化的费用很高,造成该材料的成本比较高,限制了该材料的进一步广泛应用。研究发现,某些金属元素的存在对于促进炭结构进一步转化为石墨结构具有良好的催化效果。同时,该催化剂在合适的温度下可以快速有效的气化释放出去。 
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法,该方法具有过程 简单、生产成本低的特点。 
本发明是通过下述技术方案加以实现的,一种锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法,所述的人造石墨负极材料是指平均粒径为6~28μm颗粒石墨,其特征在于包括以下过程: 
(1)将煤沥青或煤沥青与煤焦油的混合物,混合物中煤沥青与煤焦油体积比为2~5∶1加入高温高压反应釜内,在350~480℃,2~6个大气压下,热聚合5~15小时,使部分煤沥青转化成中间相沥青微球; 
(2)将步骤(1)所得到含粘弹相煤沥青、中间相沥青微球的混合物导入预装有5倍体积此混合物室温煤焦油的冷却槽中,降低混合物料的温度至300℃以下; 
(3)将步骤(2)所得混合物导入高速离心装置中离心分离并洗涤,将中间相沥青微球从其它溶液中分离出来,并用溶剂充分洗涤中间相沥青微球表面; 
(4)将步骤(3)的得到中间相沥青微球按照体积比为1∶1分散入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.1~0.5%,浸渍时间为30min; 
(5)将步骤(4)得到含中间相沥青微球颗粒物的混合物加热150℃烘干以去除和回收甲苯,然后在2300℃的温度下进行石墨化处理,得到材料石墨化度89.3%的中间相石墨微球。 
本发明的特点在于,煤沥青或煤沥青与煤焦油的混合物作为反应的原材料,原材料易得且纯度要求低,成本容易降低;采用KMnO4作为中间相沥青微球高温石墨化的催化剂,可以降低炭材料向石墨材料转化的温度,在保证产品的石墨化程度基础上,降低了温度要求,降低产品成本,易于中间相石墨微球的市场扩展。 
具体实施方式
实施例1将中温煤沥青400mL和煤焦油100mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在415℃下10h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体按照体积比1∶1的比例导入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.2%,浸渍时间为30min。将上述物料在干燥箱中升温到150℃,烘干以去除和回收甲苯。将得到的物料在2300℃下进行石墨化处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度 89.7%。 
实施例2将中温煤沥青300mL和煤焦油100mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在415℃下10h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体按照体积比1∶1的比例导入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.2%,浸渍时间为30min。将上述物料在干燥箱中升温到150℃,烘干以去除和回收甲苯。将得到的物料在2300℃下进行石墨化处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度89.6%。 
实施例3将中温煤沥青400mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在430℃下10h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体按照体积比1∶1的比例导入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.2%,浸渍时间为30min。将上述物料在干燥箱中升温到150℃,烘干以去除和回收甲苯。将得到的物料在2300℃下进行石墨化处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度89.3%。 
实施例4将中温煤沥青400mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在430℃下12h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体按照体积比1∶1的比例导入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.2%,浸渍时间为30min。将上述物料在干燥箱中升温到150℃,烘干以去除和回收甲苯。将得到的物料在2300℃下进行石墨化处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度89.6%。 
实施例5将中温煤沥青400mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在430℃下10h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体按照体积比1∶1的比例导入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.4%,浸渍时间为30min。将上述物料在干燥箱中升温到150℃,烘干以去除和回收甲苯。将得到的物料在2300℃下进行石墨化 处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度91.5%。 
实施例6将中温煤沥青400mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在430℃下10h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体按照体积比1∶1的比例导入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.5%,浸渍时间为30min。将上述物料在干燥箱中升温到150℃,烘干以去除和回收甲苯。将得到的物料在2300℃下进行石墨化处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度93.4%。 
比较例1将中温煤沥青400mL注入高温高压聚合釜中,在搅拌条件下缓慢加热,升温并将温度保持在430℃下10h。将聚合反应后的物料导入5倍体积的煤焦油中并搅拌。使该体系的温度冷却至290℃时,然后通过离心分离装置将固液分离。分离出的固体用甲苯清洗后120℃干燥3h,将干燥后的固体在2800℃下进行石墨化处理,在提取平均粒径为16~18μm的产品,材料石墨化度89.7%。 
以本发明制得的人造石墨球的物理性能测试平均粒径由英国Malvern-Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定,比表面积由美国康塔Qusntachrome-NOVA 1000e比表面及孔隙率测试仪测定,振实密度由钢铁研究总院的FZS4-4型振实密度测定仪测定,石墨化度根据测试的晶体间距计算而得,材料的晶体间距由日本理学电机D/Max-2005X射线衍射仪测定。 
Figure GSB00000896324100041
测试结果见表1。 
表1物理测试结果 
Figure GSB00000896324100042
Figure GSB00000896324100051
根据测试情况分析,采用煤焦油沥青或煤焦油沥青与煤焦油的混合物作为反应的原材料,可以降低生长成本;同时,采用催化石墨化的方法进行较低温度下石墨化处理,仍然可以达到不采用催化石墨化温度2800所达到的石墨化程度。 
通过对制造人造石墨中间相石墨微球的工艺调整,改变聚合温度、聚合时间等条件可控制产品的石墨化度在89%以上,其他物理指标稳定。 
电化学性能测试:分别将上述实施例和比较例制成的产品与油性粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)、导电剂以90∶4∶6的质量比混合均匀,粘结剂PVDF应先溶于NMP(N-甲基吡咯烷酮)中,将混合均匀的负极浆料均匀的涂覆于铜箔上,并进行干燥、裁切制得负极极片。正极材料采用LiCoO2涂覆于铝箔上作为正极极片,电解液采用1.2MLiPF6的PC/EC/EMC/VC的溶液。将上述材料组装成方形电池后进行充放电测试,测试使用的设备为深圳新威电子有限公司BTS型电池测试系统测试。测试指标包括首次放电容量和首次充放电效率,放电电压4.2~2.75V。 
测试结果列于表2。 
表2电化学性能测试结果 
Figure GSB00000896324100052
通过对人造石墨中间相石墨微球进行电性能测试,说明经过改进工艺进而降低生产成本所制造的材料,较原有高成本生产的材料在物理性能和电化学性能方面都没有降低,同时材料的成本降低17%以上,对于提高中间相石墨微球的性价比,进而提高该材料在锂子电池应用中的市场份额有巨大的推动作用。 

Claims (1)

1.一种锂离子电池人造石墨负极材料的制备方法,所述的人造石墨负极材料是指以煤沥青为原料合成的中间相石墨微球,其特征在于包括以下过程:
(1)将煤沥青或煤沥青与煤焦油的混合物,混合物中煤沥青与煤焦油体积比为2~5∶1,加入高温高压反应釜内,在350~480℃,2~6个大气压下,热聚合5~15小时,使部分煤沥青转化成中间相沥青微球;
(2)将步骤(1)所得到含粘弹相煤沥青、中间相沥青微球的混合物导入预装有5倍体积此混合物室温煤焦油的冷却槽中,降低混合物料的温度至300℃以下;
(3)将步骤(2)所得混合物导入高速离心装置中离心分离并洗涤,将中间相沥青微球从其它溶液中分离出来,并用溶剂充分洗涤中间相沥青微球表面;
(4)将步骤(3)的得到中间相沥青微球按照体积比为1∶1分散入温度为40℃的KMnO4和甲苯混合溶液中浸渍,其中KMnO4质量浓度为0.1~0.5%,浸渍时间为30min;
(5)将步骤(4)得到含中间相沥青微球颗粒物的混合物加热150℃烘干以去除和回收甲苯,然后在2300℃的温度下进行石墨化处理,得到石墨化度高于89%的中间相石墨微球。 
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