CN102280629A - 一种各向同性石墨负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种各向同性石墨负极材料及其制备方法，所述负极材料是用沥青和/或煤焦油构成的包覆剂对各向同性石墨包覆改性制得的表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料，所述包覆剂与各向同性石墨的重量比为0.03～0.15:1。所述制备方法包括以下步骤：称取100份各向同性石墨、3～15份包覆剂、10～70份溶剂，在25～350℃下搅拌混合均匀，然后抽真空，脱除溶剂，排胶，炭化，最后在惰性保护气氛2400～3000℃的条件下高温处理，即得所述负极材料。该各向同性石墨负极材料首次库伦效率高、循环性能好。该制备方法易于工业化实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池负极材料及其制备方法，特别是一种用于锂离子电池的各向同性石墨负极材料及制备方法。
背景技术
天然石墨被广泛用作锂离子电池的负极材料，但天然石墨与电解液的相容性较差，在嵌/脱锂过程中易发生石墨层的剥离而导致循环性能下降，因而限制了纯天然石墨在锂离子电池中的应用。各向同性石墨负极材料与天然石墨相比，具有循环性能好、嵌/脱锂时体积变化小、不易析出金属锂以及电池易于达到平衡等优点，但各向同性石墨在首次充放电过程中呈现出很大的不可逆容量损失（＞20%），且存在很大的电压滞后现象。长沙理工大学的徐乐等人利用自制的酚醛树脂为前躯体对各向同性石墨进行表面包覆，希望改善各向同性石墨的电化学性能，但效果并不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种首次库伦效率高、循环性能好的锂离子电池负极材料及其制备方法。
本发明锂离子电池负极材料，是用沥青和/或煤焦油构成的包覆剂对各向同性石墨包覆改性制得的表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料，所述包覆剂与各向同性石墨的重量比为0.03～0.15:1。
其中，优选采用各向异性指数为1.0～1.1的各向同性石墨。更优选各向异性指数为1.0～1.1，平均粒径D50为3～50μm，比表面积为3～10 m2/g，含碳量≥99%，振实密度≥0.70g/cm3的各向同性石墨。各向异性指数由石墨在不同方向的同一物理性能数值的比值求得，通常用平行轴（长度）向和垂直轴向两个方向的热膨胀系数来计算，各向异性指数大于或等于1。振实密度指的是将材料粉末装于振动容器下，在规定条件经过振实后，所测得的粉末密度，该术语在Q/TEZI01-2001 5.5振实密度的测定标准（该标准参照国际标准ISO3953-1977《金属粉末-振实密度的测定》）中有明确的定义。
一种制备上述锂离子电池负极材料的方法，包括以下步骤：以重量计，称取100份各向同性石墨、3～15份由沥青和/或煤焦油构成的包覆剂、以及10～70份溶剂，在25～350℃下搅拌混合均匀，然后抽真空，脱除溶剂；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性保护气氛，200～650℃下处理2～60小时；再于惰性保护气氛，800～1500℃炭化2～30小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性保护气氛2400～3000℃的条件下高温处理，获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料，即所述锂离子电池负极材料。
所述各向同性石墨优选各向异性指数为1.0～1.1的各向同性石墨。更优选各向异性指数为1.0～1.1，平均粒径D50为3～50μm，比表面积为3～10 m2/g，含碳量≥99%，振实密度≥0.70g/cm3的各向同性石墨。所述溶剂优选蔥油、洗油、二甲苯、煤油、甲苯和柴油中的至少一种。构成所述包覆剂的沥青优选煤沥青、石油沥青和生产中间相碳微球的副产物沥青中的至少一种。
本发明以沥青和/或煤焦油作为包覆剂对各向同性石墨进行软碳包覆改性，将软碳和各向同性石墨的优势结合起来，所制得的负极材料在保持了各向同性石墨的容量大于340 mAh/g的前提下，首次充放电效率从78%左右提高到93%以上，有效解决了各向同性石墨作为负极材料在首次充放电过程中存在高达20%以上不可逆容量的缺陷，同时循环性能也得到显著提高，在550次循环后仍能保留首次容量的90%。同时本发明制备方法易于工业化实施。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1：以重量计，称取100份各向同性石墨、8份包覆剂煤沥青和50份溶剂洗油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.03，平均粒径D50为17.80μm，比表面积为4.88 m2/g，含碳量99.967%，振实密度为1.02 g/cm3，将它们在220℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，450℃下处理30小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化12小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2900℃的条件下高温处理1小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例2：以重量计，称取100份各向同性石墨、6份包覆剂煤沥青和40份溶剂二甲苯，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.05，平均粒径D50为17.85μm，比表面积为4.87 m2/g，含碳量99.966%，振实密度为1.02 g/cm3，将它们在100℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，450℃下处理30小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化13小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理1小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例3：以重量计，称取100份各向同性石墨、10份包覆剂煤沥青和30份溶剂二甲苯，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.04，平均粒径D50为15.42μm，比表面积为5.22 m2/g，含碳量99.970%，振实密度为0.98 g/cm3，将它们在100℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，450℃下处理30小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化15小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2650℃的条件下高温处理6小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例4：以重量计，称取100份各向同性石墨、8份包覆剂煤沥青和40份溶剂洗油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.03，平均粒径D50为15.40μm，比表面积为5.00 m2/g，含碳量99.965%，振实密度为0.97 g/cm3，将它们在220℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，450℃下处理30小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化10小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理2小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例5：以重量计，称取100份各向同性石墨、12份包覆剂煤焦油和20份溶剂蔥油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.08，平均粒径D50为6.1μm，比表面积为7.44 m2/g，含碳量99.971%，振实密度为0.81 g/cm3，将它们在250℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，400℃下处理15小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化10小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理4小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例6：以重量计，称取100份各向同性石墨、10份包覆剂煤焦油和10份溶剂二甲苯，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.03，平均粒径D50为17.93μm，比表面积为5.09 m2/g，含碳量99.965%，振实密度为1.01 g/cm3，将它们在100℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，400℃下处理15小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化11小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2650℃的条件下高温处理6小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例7：以重量计，称取100份各向同性石墨、8份包覆剂副产沥青和40份溶剂二甲苯，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.02，平均粒径D50为27.23μm，比表面积为4.60 m2/g，含碳量99.967%，振实密度为1.04 g/cm3，将它们在100℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，350℃下处理20小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化10小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理2小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例8：以重量计，称取100份各向同性石墨、8份包覆剂副产沥青和30份溶剂柴油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.02，平均粒径D50为27.52μm，比表面积为4.55 m2/g，含碳量99.970%，振实密度为1.04 g/cm3，将它们在90℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，350℃下处理20小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化14小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理2小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例9：以重量计，称取100份各向同性石墨、7份包覆剂石油沥青和30份溶剂柴油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.04，平均粒径D50为20.65μm，比表面积为4.90 m2/g，含碳量99.972%，振实密度为1.02 g/cm3，将它们在90℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，500℃下处理35小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化12小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理1小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例10：以重量计，称取100份各向同性石墨、7份包覆剂石油沥青和50份溶剂洗油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.04，平均粒径D50为20.73μm，比表面积为4.51 m2/g，含碳量99.966%，振实密度为1.03 g/cm3，将它们在220℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，500℃下处理35小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化8小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理0.5小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例11：以重量计，称取100份各向同性石墨、10份由煤沥青和石油沥青组成的包覆剂（包覆剂中煤沥青的重量百分含量为8%），以及20份溶剂洗油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.03，平均粒径D50为17.15μm，比表面积为5.31 m2/g，含碳量99.967%，振实密度为0.99 g/cm3，将它们在220℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，500℃下排胶35小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化11小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理1小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
实施例12：以重量计，称取100份各向同性石墨、10份由煤沥青和石油沥青组成的包覆剂（包覆剂中煤沥青的重量百分含量为8%），以及40份溶剂蔥油，其中各向同性石墨的各向异性指数为1.05，平均粒径D50为30.10μm，比表面积为4.59m2/g，含碳量99.965%，振实密度为1.03 g/cm3，将它们在250℃下混合搅拌，混合均匀后，抽真空，脱除溶剂，使石墨包覆于包覆剂中；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性气氛，500℃下排胶35小时；然后在惰性气氛，1100℃炭化8小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性气氛2850℃的条件下高温处理0.5小时，冷却至室温，粉碎，过200目筛，即获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料。
采用Q/TEZI01-2001.5.7电化学容量的测试标准对实施例1-12所获得的电池负极材料进行检测，并用未经本发明方法处理的三种各向同性石墨作为对比例进行了电化学性能检测，检测结果如下。
| 实施例 | 振实密度（g/cm3） | 比表面积（m2/g） | 首次放电容量（mAh/g） | 首次效率（%） | 保持90%容量循环次数 |
| 1 | 1.15 | 1.28 | 352 | 94.5 | 550 |
| 2 | 1.14 | 1.33 | 352 | 94.3 | 550 |
| 3 | 1.09 | 2.01 | 350 | 94.1 | 550 |
| 4 | 1.11 | 1.68 | 351 | 94.3 | 550 |
| 5 | 1.08 | 2.20 | 340 | 93.9 | 550 |
| 6 | 1.16 | 1.19 | 353 | 94.0 | 550 |
| 7 | 1.15 | 1.71 | 351 | 94.2 | 550 |
| 8 | 1.19 | 1.64 | 349 | 93.9 | 550 |
| 9 | 1.12 | 1.52 | 350 | 93.5 | 600 |
| 10 | 1.16 | 1.83 | 350 | 94.1 | 600 |
| 11 | 1.11 | 1.27 | 351 | 94.5 | 550 |
| 12 | 1.13 | 1.56 | 349 | 93.4 | 550 |
| 对比例1 | 0.98 | 5.26 | 357 | 79.6 | 95 |
| 对比例2 | 0.80 | 7.83 | 345 | 78.0 | 80 |
| 对比例3 | 1.03 | 5.02 | 355 | 78.8 | 85 |
由实施例和对比例的试验结果可见，各向同性石墨通过本发明方法处理后，振实密度由原来的1.04 g/cm3以下提高到1.08 g/cm3以上，比表面积从原来的5.02 m2/g以上降低到2.20m2/g以下，保持了各向同性石墨的容量在340 mAh/g以上，循环性能得到显著提高，550次循环后仍保留首次容量的90%，而且首次充放电效率从78%左右提高到了93%以上。可见，经本发明制备方法制得的负极材料具有比容量高、首次库伦效率高、循环性能好的优点。
Claims (8)
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于：该负极材料是用沥青和/或煤焦油构成的包覆剂对各向同性石墨包覆改性制得的表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料，所述包覆剂与各向同性石墨的重量比为0.03～0.15:1。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述各向同性石墨的各向异性指数为1.0～1.1。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述各向同性石墨的平均粒径D50为3～50μm，比表面积为3～10 m2/g，含碳量≥99%，振实密度≥0.70g/cm3。
4.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以重量计，称取100份各向同性石墨、3～15份由沥青和/或煤焦油构成的包覆剂、以及10～70份溶剂，在25～350℃下搅拌混合均匀，然后抽真空，脱除溶剂；将所得产物首先置于排胶炉中，在惰性保护气氛，200～650℃下处理2～60小时；再于惰性保护气氛，800～1500℃炭化2～30小时，获得表面包覆碳层的各向同性石墨负极材料；最后在惰性保护气氛2400～3000℃的条件下高温处理，获得表面包覆人造石墨层的各向同性石墨负极材料，即所述锂离子电池负极材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述各向同性石墨的各向异性指数为1.0～1.1。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述各向同性石墨的平均粒径D50为3～50μm，比表面积为3～10 m2/g，含碳量≥99%，振实密度≥0.70g/cm3。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂为蔥油、洗油、二甲苯、煤油、甲苯和柴油中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：构成所述包覆剂的沥青为煤沥青、石油沥青和生产中间相碳微球的副产物沥青中的至少一种。
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