CN102214821B - 表面改性的石墨化中间相炭微粉及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面改性的石墨化中间相炭微粉及其制备方法。该方法包括以下步骤:①将中间相炭微粉原料粉碎预处理;②加入添加剂充分混合;③石墨化处理;和④氧化处理。所得的表面改性石墨化中间相炭微粉作为锂离子电池的负极材料,不仅具备现有的中间相炭微粉负极材料的优点,还提高了压实密度和首次放电容量,降低了比表面积,制成的电池综合性能优良,是中间相炭微粉负极材料的更新换代产品。

Description

表面改性的石墨化中间相炭微粉及其制备方法
技术领域
[0001 ] 本发明属于材料领域,特别涉及一种表面改性的石墨化中间相炭微粉及其制备方 法。
背景技术
[0002] 中间相炭微粉石墨化产品是一种优良的锂离子电池负极材料,近年来,锂离子电 池在移动电话、笔记本电脑、数码摄像机和便携式电器上得到了大量应用。锂离子电池有能 量密度大、工作电压高、体积小、质量轻、无污染、快速充放电、循环寿命长等方面的优异性 能,是21世纪发展的理想能源。中间相炭微粉作为锂离子二次电池的负极材料,具有电位 低且平坦性好、比重大、初期的充放电效率高以及加工性好等特点。理论上1^(: 6的可逆储 锂容量可达到372mAh/g,中间相炭微粉的可逆储锂容量却只有310mAh/g左右,负极材料的 容量还有上升的空间。随着电子信息产业的迅猛发展,各种产品对小型化、轻量化的要求不 断提高,对锂离子二次电池大容量、快速充电等高性能的要求日益迫切。锂离子电池容量的 提尚主要依赖炭负极材料的发展和完善,因此提尚钮尚子电池负极材料的比容量、提尚材 料的压实密度、减少首次不可逆容量及改善循环稳定性一直是研宄开发的重点。
[0003] 中间相炭微粉经催化石墨化、表面氧化等方法处理可以有效地提高锂离子二次电 池用负极材料品质,不但可以提高石墨的可逆储锂容量,而且能够改善材料的循环性能。文 献:(1)《金属材料与冶金工程》Vol. 35N〇. 1P. 6-9(2007年)报道了采用表面氧化对中间相 炭微粉进行改性;(2)《材料研宄学报》Vol. 21No. 4P. 404-408 (2007年)报道了催化热处 理锂离子电池用中间相炭微粉,有效地缓解了碳表面的不可逆电化学反应;(3)美国专利 US2006001003报道了催化石墨化处理人造石墨类负极材料的方法,能改善快速充放电性能 和循环性能。上述文献报道的各种改进方法的不足是,或者制取过程复杂化,或者添加的成 分不易获得,或者产品收得率不十分显著,提高了生产成本。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题即是针对中间相炭微粉锂离子电池负极材料储锂容量 不高的不足,提供一种中间相炭微粉锂离子电池负极材料及其制备方法,该负极材料的压 实密度高和首次放电容量得到提高,循环性能改善,并且制备方法简便易行。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种表面改性的石墨化中间相炭 微粉的制备方法,包括以下步骤:①将中间相炭微粉原料粉碎预处理;②加入添加剂混合; ③石墨化处理;和④氧化处理。
[0006] 其中,步骤①中所述的中间相炭微粉是现有技术,是指由沥青或稠环芳烃混合物 经液相聚合反应而得到的中间相炭微粉材料,本发明优选沥青中间相炭微粉,如煤焦油沥 青或石油沥青制成的中间相炭微粉。而步骤①中所述的中间相炭微粉粉碎预处理的目的是 为了有利于提高产品压实密度;经粉碎预处理其粒径一般在几微米到几十微米之间,从而 制得的负极材料为高压实、高容量负极材料。更佳地,为制得高压实、高容量负极材料,本发 明优选粉碎预处理得到的中间相炭微粉的平均粒径(D5CI)为2〜50微米(ym)。
[0007] 步骤②中所述的添加剂为对难石墨化的炭具有易成石墨层片结构作用及与炭材 料表面杂质发生化学反应并将其脱除的特定物质,优选硅、铁、锡或硼的碳化物或它们的氧 化物中的任一种或两种或两种以上的混合物,如?6 203、5102、51102、51(:』20 3等。经预处理后 的中间相炭微粉与添加剂的重量比80 : 20〜99. 9 : 0.1。加料时采用步骤①粉碎预处理 的原料与添加剂交替加入以保证混料均匀一致。混合设备优选悬臂双螺旋锥形混合机。
[0008] 步骤③中所述的石墨化的工艺可以是现有技术。本发明优选石墨化温度2500〜 2800°C。该温度范围内石墨化可以确保产品具有良好的压实密度和充放电容量。
[0009] 步骤④中所述的氧化处理较佳地采用空气/或氧气对步骤③所得的中间相石墨 的表面进行进一步的氧化处理。优选的,空气/或氧气流量为0. 01〜2. 0m3/h,氧化温度控 制在200〜800°C,氧化处理的时间为1〜10小时。所述的氧化处理较佳地在滚筒炉内进 行。
[0010] 本发明中,上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合,即得本发明各 较佳实例。
[0011] 本发明还提供上述方法制备而得的表面改性的石墨化中间相炭微粉,以及以该石 墨化中间相炭微粉为负极材料的锂离子电池。
[0012] 本发明除特别说明之外,所用的百分比都是质量百分比。
[0013] 本发明所用的原料或试剂除特别说明之外,均市售可得。
[0014] 由本发明的制备方法可以有效的解决现有材料存在的问题。其中粉碎、混料、催化 石墨化和氧化过程工艺简便易行,原料来源广泛且成本低。由于采用了催化石墨化、表面氧 化等方法,导致制得的产品比表面积较低,结构更加稳定,安全性能好,压实性能好,克容量 较高,其性能参数如下所示。
[0015]
Figure CN102214821BD00041
\
[0016]
Figure CN102214821BD00051
[0017] 本发明的中间相石墨炭负极材料不仅保留了原来中间相负极材料的优点,还提高 了压实密度和克容量,比表面积低,用此材料作为锂离子电池负极材料制成的电池综合性 能优良,主要有以下优点:①压实密度较高,在水性体系下压实密度可达到1. 65g/cm3以上; ②放电平台较高;③放电平台保持率较高;④大电流充放电性能较好;⑤循环性能好(300 次循环,容量保持> 90% );⑥安全性较好(130°C/60分钟,不爆、不涨);⑦对电解液及其 它添加剂适应性较好;⑧产品性质稳定,批次之间几乎没有差别。
附图说明
[0018] 以下结合附图说明本发明的特征和有益效果。
[0019] 图1为本发明中间相石墨炭负极材料的首次充放电曲线。
[0020] 图2为本发明中间相石墨炭负极材料的扫描电镜图。
[0021] 图3为本发明中间相石墨炭负极材料的循环性能图。
具体实施方式
[0022] 下面用实施例来进一步说明本发明,但本发明并不受其限制。下列实施例中未注 明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所述 的"室温"是指进行试验的操作间的温度,一般为15°C。
[0023] 实施例1
[0024] 称取120kg中间相炭微粉原料(上海杉杉科技有限公司以煤焦油沥青为主要原 料,生产的中间相炭微粉产品,其商品规格为CMS-G40产品)均匀加入粉碎分级机中,调 节粉碎分级机主机频率为15. 35Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到 Fl(D5Q25.6ym)料113kg。将中间相炭微粉F1料113kg与添加剂(Si02)5kg交替加入悬臂 双螺旋锥形混合机中混合2小时后进行催化石墨化(2500°C)处理6小时,得石墨化后料 FlalOOkg。将其加入滚筒式电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至300°C,通入压缩空气, 压缩空气流量为0. 4m3/h,并在此流量和300°C温度下恒温300分钟至氧化结束,之后将炉 内物料冷却至室温制得本发明的中间相石墨炭负极材料98kg(比表面积1. 8m2/g),产率为 81. 7%〇
[0025] 实施例2
[0026] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为5. 26Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到F1 (D5CI26. 4ym)料115kg。 将中间相炭微粉F1料115kg与添加剂(Fe203)0. 12kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混 合2小时后进行催化石墨化(2800°C)处理5小时,得石墨化后料Fla103kg。将其加入滚 筒式电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至320°C,通入压缩空气,压缩空气流量为0. 3m3/ h,并在此流量和320°C温度下恒温300分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得 本发明的中间相石墨炭负极材料l〇lkg(比表面积1. 3m2/g),产率为84. 2%。
[0027] 实施例3
[0028] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为54. 00Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到F1 (D5CI16. 7ym)料115kg。 将中间相炭微粉F1料115kg与添加剂(Sn02) 29kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合 2小时后进行催化石墨化(2800°C)处理3小时,得石墨化后料Fla99kg。将其加入滚筒式 电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至400°C,通入压缩空气,压缩空气流量为0. 01m3/h, 并在此流量和400°C温度下恒温300分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得本 发明的中间相石墨炭负极材料97kg(比表面积2.lm2/g),产率为80. 8%。
[0029] 实施例4
[0030] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为100. 35Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI15. 8ym)料111kg。 将中间相炭微粉F1料111kg与添加剂(B203) 5kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合2 小时后进行催化石墨化(2800°C)处理3小时,得石墨化后料Fla95kg。将其加入滚筒式 电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至500°C,通入压缩空气,压缩空气流量为0. 01m3/h, 并在此流量和500°C温度下恒温240分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得本 发明的中间相石墨炭负极材料93kg(比表面积1.lm2/g),产率为77. 5%。
[0031] 实施例5
[0032] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为47. 22Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI2. 0ym)料114kg。 将中间相炭微粉F1料114kg与添加剂(Si02) 5kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合2 小时后进行催化石墨化(2500°C)处理7小时,得石墨化后料Fla92kg。将其加入滚筒式 电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至250°C,通入压缩空气,压缩空气流量为2. 0m3/h, 并在此流量和200°C温度下恒温600分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得本 发明的中间相石墨炭负极材料91kg(比表面积2. 7m2/g),产率为75. 8%。
[0033] 实施例6
[0034] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为15. 67Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI26. 9ym)料114kg。 将中间相炭微粉F1料114kg与添加剂(Si02) 22kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合 2小时后进行催化石墨化(2800°C)处理1小时,得石墨化后料Fla97kg。将其加入滚筒式 电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至250°C,通入压缩空气,压缩空气流量为1. 4m3/h, 并在此流量和250°C温度下恒温350分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得本 发明的中间相石墨炭负极材料95kg(比表面积1. 0m2/g),产率为79. 2%。
[0035] 实施例7
[0036] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为49. 38Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI26. 9ym)料116kg。 将中间相炭微粉F1料116kg与添加剂(SiC) 5kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合2 小时后进行催化石墨化(2600°C)处理6小时,得石墨化后料Fla102kg。将其加入滚筒式 电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至800°C,通入压缩空气,压缩空气流量为0. 2m3/h, 并在此流量和450°C温度下恒温60分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得本发 明的中间相石墨炭负极材料99kg(比表面积1. 6m2/g),产率为82. 5%。
[0037] 实施例8
[0038] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为9. 22Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI50. 0ym)料116kg。 将中间相炭微粉F1料116kg与添加剂(Si02) 2kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合2 小时后进行催化石墨化(2500°C)处理10小时,得石墨化后料Fla102kg。将其加入滚筒 式电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至350°C,通入压缩空气,压缩空气流量为0. 05m3/ h,并在此流量和350°C温度下恒温480分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得 本发明的中间相石墨炭负极材料l〇〇kg(比表面积1. 2m2/g),产率为83. 3%。
[0039] 实施例9
[0040] 称取120kg中间相炭微粉原料均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率 为16. 41Hz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI27. 36ym)料113kg。 将中间相炭微粉F1料113kg与添加剂(SiC) 5kg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合2 小时后进行催化石墨化(2600°C)处理4小时,得石墨化后料Fla98kg。将其加入滚筒式 电阻炉,滚筒炉转速为60转/分,升温至300°C,通入氧气,氧气流量为0. 01m3/h,并在此流 量和300°C温度下恒温300分钟至氧化结束,之后将炉内物料冷却至室温制得本发明的中 间相石墨炭负极材料97kg(比表面积1. 7m2/g),产率为80. 8%。
[0041] 比较例1
[0042] 对中间相炭微粉按本发明工艺不加添加剂进行石墨化及不进行表面氧化处理制 得中间相石墨炭负极材料。
[0043] 称取120kg中间相炭微粉均匀加入粉碎分级机中,调节粉碎分级机主机频率为 15. 64HzHz,设定外分级转速为1000转/分,经粉碎分级后得到FI(D5CI28. 2ym)料108kg。 将中间相炭微粉F1料108kg进行石墨化(2600°C)处理6小时,得石墨化后中间相石墨炭 负极材料Fla97kg(比表面积5. 6m2/g),产率为80. 8 %。
[0044] 比较例2
[0045] 市售的同类中间相石墨炭负极材料(上海杉杉科技有限公司生产的CMS产品)。
[0046] 下面通过效果实施例来进一步说明本发明的有益效果。
[0047] 效果实施例1
[0048] 采用常规测定方法测定上述实施例1〜9及比较例1、2的石墨化中间相炭微粉材 料物理性质和电化学性能。其中电化学性能测定方法为:
[0049] 石墨化中间相炭微粉样品、含有6〜7%聚偏氟乙烯(PVDF)的N-甲基吡咯烷酮 溶液及2%的导电炭黑混合均匀,涂于铜箔上,将涂好的极片放入温度为110°C真空干燥箱 中真空干燥4小时备用。模拟电池装配在充氩气的德国布劳恩手套箱中进行,电解液为 1MLiPF6+EC:DEC=1 : 1(体积比),金属锂片为对电极,电化学性能测试在美国Arbin BT2000型电池测试仪上进行,充放电电压范围为0. 005至1. 0V,充放电速率为0. 1C。
[0050] 各实施例及比较例的性能参数如下表所示:
[0051]
Figure CN102214821BD00081
[0052] 从上面的数据可以看出,比较例1的压实密度低,为1. 55g/cm3,首次效率低仅有 80. 2% ;比较例2的放电容量低,为313. 2mAh/g;采用本发明所述方法制备的负极材料,比 表面积可以控制在3. 0m2/g以下,容量可达340mAh/g以上,同时产品的粒度分布更加均勾, 如图2所示。本发明所述方法制备的负极材料,克容量较高,可以提高电池的能量;不可逆 容量损失低,可以在一定程度上减少正极用量;压实性能好,可以有效提高单位面积的材料 用量;比表面积低则有利于抑制锂离子电池体系产生气胀现象,电池的安全性能好;过充 性能较好;极片加工性好;理想的电压平台,放电电压很快能达到平稳状态,如图1所示;大 电流性能较好;循环性能好,循环300次后容量保持率可达到90%,如图3所示。

Claims (6)

1. 一种表面改性的石墨化中间相炭微粉的制备方法,其特征在于,包括以下步骤: ① 将中间相炭微粉原料粉碎预处理; ② 加入添加剂充分混合; ③ 石墨化处理;和 ④ 氧化处理; 步骤①中所述的将中间相炭微粉原料粉碎是粉碎至平均粒径2〜50微米;步骤②中 所述的添加剂为硅、铁、锡或硼的碳化物或它们的氧化物中的任一种或两种或两种以上的 混合物;步骤④中所述的氧化处理在滚筒炉内进行;步骤④中所述的氧化处理采用空气或 氧气对步骤③所得的中间相石墨的表面进行进一步的氧化处理,压缩空气或氧气流量为 0. 01〜2. 0m3/h,氧化温度控制在200〜800°C,氧化处理的时间为1〜10小时。
2. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤①中所述的中间相炭微粉是沥青 中间相炭微粉。
3. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤②中经预处理后的中间相炭微粉 与添加剂的重量比80 : 20〜99. 9 : 0.1。
4. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤③中所述的石墨化的石墨化温度 是 2500 〜2800 °C。
5. -种如权利要求1〜4任一项所述的制备方法制备而得的表面改性的石墨化中间相 炭微粉。
6. -种以如权利要求5所述的表面改性的石墨化中间相炭微粉为负极材料的锂离子 电池。
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