CN102263287A - 一种使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是一种使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池；本发明用薄层石墨和常规石墨材料混合后并通过二次热处理得到的多相结构石墨作为锂离子电池的负极材料，该负极材料不仅制备过程简单、易于操作，而且集两种材料的优势于一身，二者性能相互提升，得到的材料电化学性能良好；尤其是运用于锂离子电池领域时，比容量大、功率及循环性能好。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是一种使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池被广泛地应用在电动汽车、电动工具及储能等领域，随着其应用领域的不断革新，人们对锂离子电池的功率性能、容量性能及循环性能的要求越来越高。因而，研究人员开发了一系列新型的非碳基负极材料，如硅、锡及金属氧化物；虽然这些新材料的容量较高，但是同时也带来了体积膨胀较大的问题，随着多次充放电循环的进行，最终将导致材料的粉末化，失去使用价值。
目前，碳材料依然是锂离子电池负极材料的首选，而且在将来相当长时间内仍然占据负极材料的市场。然而为了满足目前对锂离子电池性能的需求，常规石墨材料同时也得需要进一步优化，而石墨优化过程中，会导致石墨材料颗粒表面的结晶度较大，缺陷点少，再加上颗粒普遍为球形，接触面积较小，从而造成石墨材料颗粒之间接触电阻较大，影响了大电流充放电时性能的发挥，同时也会产生较多的热量，降低了电池的功率性能并带来安全隐患，严重影响了常规石墨材料在动力电池中的使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池。包括电池壳、电极板、电解液和隔膜，所述电极板包括负极电极板和正极电极板；其特征在于，所述负极电极板由多相结构石墨材料压制在铜箔集流体上制成，所述正极电极板由含锂正极活性物质压制在铝箔集流体上制成。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多相结构石墨负极材料；包括常规石墨和薄层石墨机械混合，所述薄层石墨为厚度为2nm～200nm的膨胀石墨。
其中，所述常规石墨∶薄层石墨优选质量比为1∶0.01～1。
所述常规石墨为天然石墨、人造石墨、复合石墨、石墨化中间相碳微球中的一种或几种组合物。
所述多相结构石墨负极材料的制备方法，包括如下制备步骤：
先将膨胀石墨通过强力超声，得到厚度为2nm～200nm的薄层石墨；再将薄层石墨与常规石墨用机械混合后，加入薄层石墨与常规石墨总重量1～5％的葡萄糖，在氮气保护下，以3～20℃/min的升温速度升温至600～1000℃恒温1-5h，将薄层石墨与常规石墨交联，得到所述多相结构石墨负极材料。
其中，所述机械混合为球磨、搅拌或超声分散中的一种或几种方式的配合使用。
使用所述多相结构石墨负极材料的锂离子电池，包括电池壳、电极板、电解液和隔膜，所述电极板包括负极电极板和正极电极板；所述负极电极板由多相结构石墨负极材料压制在铜箔集流体上制成，所述正极电极板由含锂正极活性物质压制在铝箔集流体上制成。
其中，所述的含锂正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂或镍钴锰酸锂中的一种或几种组合物。
所述的电解液为六氟磷酸锂电解液或聚合物电解质。
所述的电池壳为钢壳、铝壳、铝塑膜或用于常规锂离子电池的其它壳体。
所述的隔膜为常规锂离子电池使用的隔膜。
本发明多相结构石墨负极材料由强力超声膨胀石墨得到的薄层石墨和常规石墨材料机械混合而成，一方面利用薄层石墨独特的平面二维结构和良好的导电导热性能在石墨颗粒之间形成导电、导热网络减小石墨颗粒的接触阻抗，避免了石墨材料颗粒之间接触电阻较大的弊端，不会影响大电流充放电时性能的发挥；另一方面，利用薄层石墨较高的储锂能力提高负极的容量。该多相结构石墨负极材料不仅制备过程简单、成本低廉、易于操作，而且集两种材料的优势于一身，二者性能相互提升，得到的材料电化学性能良好。尤其是运用于锂离子电池领域时，比容量大、功率及循环性能好。
使用多相结构石墨材料共同作为负极的锂离子电池；其负极中石墨颗粒被薄层石墨组成的三维网络包覆，由于薄层石墨良好的导电和导热性能，提高了石墨颗粒之间的电子传导性和导热性能，使得石墨材料的功率性能和循环性能得以更好地发挥；同时，由于石墨颗粒的存在，薄层石墨之间的团聚作用受到阻碍，所以导电导热性能能够得以最大程度的发挥，并且在负极电位下利用其巨大的比表面积吸附锂离子，使得负极材料的容量性能得以提升。
本发明所提供的使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池，包括电池壳、电极板、电解液和隔膜；电极板包括负极电极板和正极电极板，所述负极电极板由多相结构石墨材料组成的负极活性物质压制在铜箔集流体上制成；由于同时具有导电导热功能和高容量储锂功能的薄层石墨网络的成功运用，本发明具有优异的倍率性能，1C充放电时仍然具有320mAh/g～380mAh/g的容量，远高于目前常规石墨材料的性能。
本发明提供的使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池是锂离子电池发展过程中的一大突破。通过在石墨颗粒周围构筑同时具有导电、导热并且可以高容量储锂的三维薄层网络，提高了锂离子电池的功率性能、循环性能和安全性能。本发明提供的使用多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池充分利用了各种碳材料的优点，是非常有应用前景的新型锂离子电池。
具体实施方式
实施例1
一种使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池；
先将薄层石墨和人造石墨，按照m(薄层石墨)∶m(人造石墨)＝0.05∶1的关系，称取薄层石墨5.0g、人造石墨100.0g，置于球磨机中球磨2h后取出，加入2g葡萄糖，在氮气保护下，以5℃/min的升温速度升温至700℃恒温2h，冷却后，得到完全分散的多相结构石墨负极材料；
将多相结构石墨负极材料压制在集流体上制成负极板。
再将钴酸锂作为活性材料，经过正负极活性材料的混料、涂布，极片辊压、分切、叠片或卷绕，封装、注液，化成、除气、分容、搁置等工序，制得正极板。
最后将电池壳、正负电极板、电解液和隔膜进行组装，得到使用多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池。
组装完毕后将多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池放置一天进行充放电试验，经检测，1C放电时负极材料容量为328.3mAh/g。
实施例2
一种使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池；
先将薄层石墨和天然石墨，按照m(薄层石墨)∶m(石墨化中间相碳微球)＝0.1∶1的关系，称取薄层石墨5.0g、石墨化中间相碳微球50.0g，置于球磨机中。球磨6h后取出，加入2g葡萄糖，在氮气保护下，以10℃/min的升温速度升温至1000℃恒温1h，冷却后，得到完全分散的多相结构石墨负极材料；
将多相结构石墨负极材料压制在集流体上制成负极板。
再将磷酸铁锂作为活性材料，经过正负极活性材料的混料、涂布，极片辊压、分切、叠片或卷绕，封装、注液，化成、除气、分容、搁置等工序，制得正极板。
最后将电池壳、正负电极板、电解液和隔膜进行组装，得到使用多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池。
组装完毕后将多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池放置一天进行充放电试验，经检测，1C放电时负极材料容量为352.9mAh/g。
实施例3
一种使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池；
先将中间相碳微球和薄层石墨材料，按照m(薄层石墨)∶m(天然石墨)＝0.5∶1的关系，称取天然石墨100.0g、薄层石墨材料50.0g，置于球磨机中。球磨10h后取出，加入5g葡萄糖，在氮气保护下，以3℃/min的升温速度升温至600℃恒温5h，冷却后，得到完全分散的多相结构石墨负极材料；
将多相结构石墨负极材料压制在集流体上制成负极板。
再将尖晶石锰酸锂作为活性材料，经过正负极活性材料的混料、涂布，极片辊压、分切、叠片或卷绕，封装、注液，化成、除气、分容、搁置等工序，制得正极板。
最后将电池壳、正负电极板、电解液和隔膜进行组装，得到使用多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池。
组装完毕后将多相结构石墨材料作为负极的锂离子电池放置一天进行充放电试验，经检测，1C放电时负极材料容量为342.3mAh/g。
对比实施例1
取人造石墨材料作为负极，正极使用尖晶石锰酸锂作为活性材料，经过正负极活性材料的混料、涂布，极片辊压、分切、叠片或卷绕，封装、注液，化成、除气、分容、搁置等工序，得到使用人造石墨材料作为负极的锂离子电池。放置一天后进行充放电试验，经检测，1C放电时负极材料容量为283.8mAh/g。
对比实施例2
取天然石墨材料作为负极，正极使用磷酸铁锂作为活性材料，经过正负极活性材料的混料、涂布，极片辊压、分切、叠片或卷绕，封装、注液，化成、除气、分容、搁置等工序，得到使用天然石墨材料作为负极的锂离子电池。放置一天后进行充放电试验，经检测，1C放电时负极材料容量为295.1mAh/g。
对比实施例3
取中间相碳微球材料作为负极，正极使用钴酸锂作为活性材料，经过正负极活性材料的混料、涂布，极片辊压、分切、叠片或卷绕，封装、注液，化成、除气、分容、搁置等工序，得到使用中间相碳微球材料作为负极的锂离子电池。放置一天后进行充放电试验，经检测，1C放电时负极材料容量为287.1mAh/g。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述的特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池，包括电池壳、电极板、电解液和隔膜，所述电极板包括负极电极板和正极电极板；其特征在于，所述负极电极板由多相结构石墨组成的负极材料压制在铜箔集流体上制成，所述正极电极板由含锂正极活性物质压制在铝箔集流体上制成。
2.根据权利要求1所述的使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池，其特征在于，所述多相结构石墨材料由薄层石墨及常规石墨材料混合而成，并通过机械混合的方法，将薄层石墨与常规石墨材料均匀混合后，加入薄层石墨与常规石墨总重量1～5％的葡萄糖，在氮气保护下，以3～20℃/min的升温速度升温至600～1000℃恒温1-5h，将薄层石墨与常规石墨交联；薄层石墨与常规石墨材料的质量比优选0.01～1∶1。
3.根据权利要求2所述的使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池，其特征在于，所述薄层石墨由膨胀石墨通过强力超声得到，由多层碳原子组成，厚度为2nm～200nm。
4.根据权利要求2所述的使用多相结构石墨作为负极材料的锂离子电池，其特征在于，所述常规石墨材料为天然石墨、人造石墨、复合石墨、石墨化中间相碳微球中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池，其特征在于，所述的含锂正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂或镍钴锰酸锂中的一种或几种组合物。
6.根据权利要求1所述的使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池，其特征在于，所述的电解液为六氟磷酸锂电解液或聚合物电解质。
7.根据权利要求1所述的使用多相结构石墨为负极材料的锂离子电池，其特征在于，所述的电池壳为钢壳、铝壳、铝塑膜或其它常规锂离子电池壳体。
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Denomination of invention: Lithium ion battery using graphite having multiphase structure as negative pole material Effective date of registration: 20160518 Granted publication date: 20130508 Pledgee: Dongguan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Songshan Lake Science and Technology Branch Pledgor: DONGGUAN MCNAIR NEW POWER Co.,Ltd.|DONGGUAN MCNAIR TECHNOLOGY Co.,Ltd.|TECHNICAL INSTITUTE OF LITHIUM BATTERY ENERGY-SAVING TECHNOLOGY OF MCNAIR, DONGGUAN. Registration number: 2016990000410 |
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