CN102593438A - 一种锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子二次电池石墨负极材料的碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，本发明包括球磨筛分、碳包覆和预成膜，球磨筛分过程是控制原料石墨粒径小于50μm，将筛分后石墨粉末放入碳源的乙醇溶液或水溶液中进行超声分散，再进行烘干和热处理在石墨颗粒表面形成碳活化层；对表面具有碳活化层的石墨颗粒用聚二甲基硅氧烷进行预成膜处理。本发明的整个改性过程中没有使用稀贵金属以及金属化合物，各步骤反应条件温和、易于操作、对材料表面处理均匀；利用此共改性的方法制备的石墨负极材料具有首次可逆容量高，充放电循环性能好。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，属于石墨改性技术。
背景技术
电极材料是研制锂离子电池的基础,电极材料性能的优劣直接决定着最终制备电池的特性和价格。在负极材料的众多选择中，石墨以其价格低廉、来源广泛、导电性好等优点被认为是很有前途的锂离子电池负极材料，石墨更以其低电位平台，较高的比容量，良好的电压平台，较好的导电性，无电压滞后等为产业界所关注。但用作负极材料的人造石墨的制备要求高达将近3000℃，对设备要求过高，而且制备过程能耗较大。不仅造成大量的能源消耗，也导致生产成本过高。
天然的石墨直接用作负极材料，由于其本身存在很多缺陷，结果使电极大电流放电性能较差、首次充放电效率较低、可逆容量不高、电化学循环性能不好。而且天然石墨对电解质选择性较高，从而导致它与电解质相容性较差。天然石墨径向尺寸比较大，造成插锂的不完全使比容量往往远小于理论值。因此，对天然石墨进行改性，使其自身的缺陷得到弥补，从而能更广泛的应用于锂电池负极材料，必定能带来更为显著的经济效益和环境效益。
在对天然石墨改性方面一直以来科学工作者已经做了很多的研究，通过各种途径对天然石墨进行物理化学改性和表面修饰，其中很多方法得到的改性石墨在性能上都有了很大的改善，但从众多的改性方法中我们很容易发现，单一的改性方法往往不能全面地改善石墨的性能，将一些彼此可能互补的改性方法有机的结合进行共改性最终可能会收到更好的效果。但现阶段对于共改性的理论研究还比较欠缺，只能通过具体的大量实验进行摸索，所以以后在石墨的共改性方面还需要我们做大量的工作。
发明内容
本发明目的在于提供一种锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，该方法反应条件温和、易于操作、对材料表面处理均匀；同时，运用共改性的方法避免了一种改性方法提高石墨性能的局限性，以及在提高性能的同时所引来的弊端，利用此共改性的方法制备的石墨负极材料具有首次可逆容量高，充放电循环性能好。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）把石墨原料进行球磨，过筛，控制石墨原料的颗粒直径在20-50μm之间；
（2）过筛后的石墨粉末放入硬脂酸、酚醛树脂、环氧树脂的乙醇溶液或蔗糖的水溶液中进行超声分散，分散均匀后放入90-150℃的烘箱内固化，冷却后进行球磨过筛处理；
（3）将步骤（2）中球磨过筛处理后的石墨粉末再在真空、400-1000℃温度的条件下碳化处理1-6小时；
（4）将步骤（3）碳化后的石墨粉末混入聚二甲基硅氧烷的甲苯溶液中，混合均匀后干燥得到。
所述的锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，其特征在于：碳源相对质量为1%-10%，步骤（2）中超声分散时间为10-120分钟。
所述的锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，其特征在于：聚二甲基硅氧烷相对于石墨粉末的质量的1%-10%，混合均匀采用超声分散或者磁力搅拌，时间为10-120分钟。
本发明的有益效果：
本发明的优点在于前期石墨的球磨过程控制了石墨的径向尺寸，从而可以减少嵌锂过程的阻力，提高嵌锂量；利用碳包覆改性同样可以进一步提高嵌锂量，但同时会带来比表面增大首次库伦效率降低的弊端，再经过预成膜的改性处理来减少首次循环还原反应所消耗锂离子的量从而提高首次库仑效率；在改性的过程中没有使用贵金属以及其它金属化合物，从而使改性的成本很低，共改性的方法弥补了石墨更多的缺陷，从而使所得改性后石墨具有更优良的性能。
附图说明
图1为本发明实施例2改性石墨负极材料的电镜照片。
图2为本发明实施例2所得改性石墨负极材料的首次充放电曲线，其中1为首次充电曲线，2为首次放电曲线。
具体实施方式
实施例1：
取天然石墨经过破碎机进行破碎，然后用325目筛子进行筛分，收集筛下部分以备后面实验所用，按硬脂酸与石墨质量比为3：100的比例称取硬脂酸和石墨，把称量后的硬脂酸用酒精进行溶解，待硬脂酸完全溶解后把称量好的石墨在搅拌的条件下分批加入，再把混合物放入超声振荡器中进行分散处理，震荡时间为3小时；分散均匀后放入烘箱内干燥，先在90℃条件下干燥1小时，再升温到130℃条件下干燥3小时；干燥后的混合物碾碎后过325目筛分一下，取筛下部分进行炭化处理，炭化处理条件在隔绝空气下先升温至380℃保温2小时，再升温至800℃保温5小时，炭化后试样碾碎过325筛，取筛下部分以备后面实验使用，按质量比为3：100称取聚二甲基硅氧烷与表面碳包覆石墨，将称量的聚二甲基硅氧烷溶于甲苯中，在搅拌的条件下把称量的表面碳包覆石墨分批加入，然后在磁力搅拌2小时，搅拌混合均匀后放在真空干燥箱内进行干燥处理，干燥条件120℃时间4小时，得到最终的改性石墨。
所得改性石墨按下述方法制备电极： 对改性石墨试样、粘结剂、导电剂按质量比为92：5：3的比例制备成电极，以锂作为对电极，以1M-LiPF6 EC/EMC溶液做电解液，聚丙烯微孔膜为隔膜，组装成扣式电池，并静置6小时，将静置后电池放在LAND测试仪器上进行电性能测试，以0.1C的电流密度进行恒流充放电实验，测试充放电电压范围为0.001V-2.0V。本实施例得到的改性石墨，其首次放电比容量为350mAh/g，首次库伦效率为86%，100个循环后容量仍保持为最高容量的81%。
实施例2：
取天然石墨经过破碎机进行破碎，然后用325目筛子进行筛分，收集筛下部分以备后面实验所用，按硬脂酸与石墨质量比为6：100的比例称取硬脂酸和石墨，把称量后的硬脂酸用酒精进行溶解，待硬脂酸完全溶解后把称量好的石墨在搅拌的条件下分批加入，再把混合物放入超声振荡器中进行分散处理，震荡时间为3小时。分散均匀后放入烘箱内干燥，先在90℃条件下干燥1小时，再升温到130℃条件下干燥3小时；干燥后的混合物碾碎后过325目筛分一下，取筛下部分进行炭化处理，炭化处理条件在隔绝空气下先升温至380℃保温2小时，再升温至900℃保温5小时，炭化后试样碾碎过325筛，取筛下部分以备后面实验使用，按质量比为6：100称取聚二甲基硅氧烷与表面碳包覆石墨，将称量的聚二甲基硅氧烷溶于甲苯中，在搅拌的条件下把称量的表面碳包覆石墨分批加入，然后在磁力搅拌2小时，搅拌混合均匀后放在真空干燥箱内进行干燥处理，干燥条件120℃时间4小时，得到最终的改性石墨。
所得改性石墨按照与实施例1相同的方法制备电极，进行电化学性能测试，本实施例得到的改性石墨，其首次放电比容量为362mAh/g，首次库伦效率约为91%，100个循环后容量仍保持为最高容量的88%。
实施例3：
取天然石墨经过破碎机进行破碎，然后用325目筛子进行筛分，收集筛下部分以备后面实验所用，按硬脂酸与石墨质量比为9：100的比例称取硬脂酸和石墨，把称量后的硬脂酸用酒精进行溶解，待硬脂酸完全溶解后把称量好的石墨在搅拌的条件下分批加入，再把混合物放入超声振荡器中进行分散处理，震荡时间为3小时。分散均匀后放入烘箱内干燥，先在90℃条件下干燥1小时，再升温到130℃条件下干燥3小时；干燥后的混合物碾碎后过325目筛分一下，取筛下部分进行炭化处理，炭化处理条件在隔绝空气下先升温至380℃保温2小时，再升温至1000℃保温5小时，炭化后试样碾碎过325筛，取筛下部分以备后面实验使用，按质量比为9：100称取聚二甲基硅氧烷与表面碳包覆石墨，将称量的聚二甲基硅氧烷溶于甲苯中，在搅拌的条件下把称量的表面碳包覆石墨分批加入，然后在磁力搅拌2小时，搅拌混合均匀后放在真空干燥箱内进行干燥处理，干燥条件120℃时间4小时，得到最终的改性石墨。
所得改性石墨按照与实施例1相同的方法制备电极，进行电化学性能测试，本实施例得到的改性石墨，其首次放电比容量为353mAh/g，首次库伦效率为88%，100个循环后容量仍保持为最高容量的83%。
实施例4：
取天然石墨经过破碎机进行破碎，然后用325目筛子进行筛分，收集筛下部分以备后面实验所用，按蔗糖与石墨质量比为6：100的比例称取蔗糖和石墨，把称量后的蔗糖用水进行溶解，待蔗糖完全溶解后把称量好的石墨在搅拌的条件下分批加入，再把混合物放入超声振荡器中进行分散处理，震荡时间为3小时。分散均匀后放入烘箱内干燥，先在90℃条件下干燥1小时，再升温到130℃条件下干燥3小时；干燥后的混合物碾碎后过325目筛分一下，取筛下部分进行炭化处理，炭化处理条件在隔绝空气下先升温至380℃保温2小时，再升温至900℃保温5小时，炭化后试样碾碎过325筛，取筛下部分以备后面实验使用，按质量比为6：100称取聚二甲基硅氧烷与表面碳包覆石墨，将称量的聚二甲基硅氧烷溶于甲苯中，在搅拌的条件下把称量的表面碳包覆石墨分批加入，然后在磁力搅拌2小时，搅拌混合均匀后放在真空干燥箱内进行干燥处理，干燥条件120℃时间4小时，得到最终的改性石墨。
所得改性石墨按照与实施例1相同的方法制备电极，进行电化学性能测试，本实施例得到的改性石墨，其首次放电比容量为358mAh/g，首次库伦效率为89%，100个循环后容量仍保持为最高容量的86%。
比较例1：
把天然石墨按照与实施例1相同的方法制备电极，进行电化学性能测试，本实施例得到的改性石墨，其首次放电容量为298mAh/g，首次库伦效率为74%，100个循环后容量仍保持为最高容量的63%。
比较例2：
球磨后天然石墨按照与实施例1相同的方法制备电极，进行电化学性能测试，本实施例得到的改性石墨，其首次放电容量为319mAh/g，首次库伦效率为80%，100个循环后容量仍保持为最高容量的70%。
比较例3：
把实施例3所得表面碳包覆石墨按照与实施例1相同的方法制备电极，进行电化学性能测试，本实施例得到的改性石墨，其首次放电容量为350mAh/g，首次库伦效率为82%，100个循环后容量仍保持为最高容量的76%。
通过与各个比较例中所得石墨负极材料性能比较可以发现，利用本发明提出的共改性方案，最终通过具体实施例所得改性石墨负极材料无论在比容量、首次库伦效率还是在循环性能上都表现出比较优越的性能。
Claims (3)
1.一种锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）把石墨原料进行球磨，过筛，控制石墨原料的颗粒直径在20-50μm之间；
（2）过筛后的石墨粉末放入硬脂酸、酚醛树脂、环氧树脂的乙醇溶液或蔗糖的水溶液中进行超声分散，分散均匀后放入90-150℃的烘箱内固化，冷却后进行球磨过筛处理；
（3）将步骤（2）中球磨过筛处理后的石墨粉末再在真空、400-1000℃温度的条件下碳化处理1-6小时；
（4）将步骤（3）碳化后的石墨粉末混入聚二甲基硅氧烷的甲苯溶液中，混合均匀后干燥得到。
2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，其特征在于：碳源相对质量为1%-10%，步骤（2）中超声分散时间为10-120分钟。
3.根据权利要求1所述的锂离子二次电池石墨负极材料碳包覆和表面预成膜共改性制备方法，其特征在于：聚二甲基硅氧烷相对于石墨粉末的质量的1%-10%，混合均匀采用超声分散或者磁力搅拌，时间为10-120分钟。
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