CN102610795B - 一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法,其特征在于:采用液相喷雾造粒的方法进行,步骤为:将碳粉、聚合物乳浊液、稳定剂及水按一定比例混合,配制成浆料;将上述浆料送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒,使得碳粉表面包覆聚合物;最后包覆聚合物的碳粉置于碳化设备中,在氮气保护下,进行碳化处理,碳化温度为600~2500℃,得到所需的锂离子电池碳负极材料包覆层。本发明的制备方法工艺简便、易聚合、安全性好,能极大地提高生产效率,且成本低廉,适合批量生产。

Description

一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法
技术领域
本发明属锂离子动力电池负极材料的制备技术范围,尤其是一种采用喷雾干燥造粒的方法来制备锂离子电池碳负极材料包覆层。
背景技术
负极活性材料是决定锂离子电池性能优劣的关键因素,作为锂离子电池的负极活性材料,必须满足高的重量比容量及体积比容量,高的锂离子嵌/脱速率,良好的循环性能,对电解质液有好的兼容性因而首次循环效率高,高低温性能优良,成本低且对环境友好。当前,锂离子电池的负极活性材料主流为石墨化碳素材料,如人造石墨及天然石墨。
在制备人造石墨粉体时,由于块状石墨在粉碎过程中颗粒度的变小,碳内部气孔的外露,缺陷及裂缝的产生,使比表面积大大增加,不但首次循环效率不高降低了电池的容量,而且裂缝引起的溶剂分子插入石墨层间,引起层剥落使负极材料循环变差。块状石墨在机械破碎的过程中,经受了冲击、碰撞、剪切及摩擦,断裂或解理,使石墨粉外形呈不规则,颗粒呈尖棱条、弯曲、平板,粉体松装及振实密度不高。天然石墨作为负极材料通常采用鳞片天然石墨经球化处理,球化处理降低了材料的比表面积,但仍无法得到良好的循环,因为溶剂化分子插入鳞片石墨层间,引起碳层剥落的问题仍存在。采用软碳及硬碳对石墨微粉(球)表面进行包覆形成核壳(核为石墨微粉,壳为包覆碳层)结构可有效圆滑粉体表面,填充气孔,掩盖修复缺陷,对后续的电池极片制浆工艺带来方便,可有效提高极片压实密度,对电解质液的兼容性也得到改善。对石墨微粉表面进行包覆,比较多的方法是利用石油沥青、煤沥青、焦油、树酯如酚醛树脂、环氧树脂、糠醛树脂等聚合物材料,经与石墨粉混合调匀-压制-烧结-破碎-分级处理得到最终粉料。以上一些方法中需用到可燃溶剂,存在安全、成本及环境问题。
如专利号为02125715.9的中国专利《炭包覆石墨微粉的制备方法》,采用喷雾造粒的方法制备包覆石墨微粉,先将石墨微粉和用来作为包覆层的树脂及乙醇以体积比1∶1∶1混合形成悬浮液,将配制好的悬浮液以高速喷出雾滴,雾化造粒进行分散,流态的树脂液体流动收缩,包覆石墨微粉,形成包覆石墨,将喷雾造粒得到的复合微粉,在热空气中干燥后,再经700-1200℃作炭化处理,得到炭包覆的石墨微粉。然而这种方法是以乙醇作为溶剂进行溶合,聚合很难达到一致性,且安全性差、产量低,很难达到批量生产的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单安全、成本低廉的锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法,其特征在于:采用喷雾干燥造粒法进行,步骤为:
1)将碳粉、聚合物乳浊液、稳定剂水溶液及水按一定比例混合,配制成浆料;浆料中碳粉∶聚合物乳浊液中聚合物(固含量)∶稳定剂(固含量)∶水的重量比例分别为10~35(wt)%∶3~35(wt)%∶1~10(wt)%∶40~80(wt)%;
2)将上述浆料送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒,使得碳粉表面被聚合物所包覆;
3)最后把包覆聚合物的碳粉置于碳化设备中,在氮气保护下,逐步升温,经过100-120℃脱水阶段保持1.5-2.5小时(优选2小时),300-500℃脱氧保持2.5-3.5小时(优选3小时),最后温度升到碳化温度600~2500℃,得到所需的锂离子电池碳负极材料包覆层;
所述聚合物乳浊液至少含微米或纳米(5~0.05um)聚合物颗粒和水,聚合物乳浊液通过聚合反应或通过高速剪切乳化机或胶磨机乳化而得,聚合物含量3-35(wt)%。
优选,所述微米或纳米聚合物包括丁苯橡胶、煤沥青或石油沥青、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、糠醛树脂或ABS树脂,聚合物乳浊液中聚合物含3-35(wt)%。这些聚合物微纳颗粒在纤维素材料的协同作用下与石墨粉体有较好的粘合能力。
优选,所述碳粉为焦碳粉体或石墨粉体,所述焦碳粉体为石油沥青焦或煤沥青焦,所述石墨粉体为球化天然石墨或人造石墨;所述碳粉的粒度在4~50um之间,碳层间距d(002)=0.33548-0.337nm。
优选,所述稳定剂为水溶性纤维素材料,包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯或羧甲基纤维素纳的纤维素材料,纤维素材料在稳定剂中的含量1~10(wt)%。它们溶于水,对碳粉具有良好的黏合、增稠、分散、乳化、保水和保胶性能,具有黏合、增稠和成膜性能。
最后,所述碳化温度为600~2500℃。温度越高,表层碳石墨化趋高。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明采用喷雾干燥造粒法制备锂离子电池碳负极材料包覆层,并且在对碳材料包覆过程只用水做溶剂,不需可燃溶剂,降低了负极材料包覆成本,不会污及环境,本发明的制备方法工艺简便易聚合、安全性好,能极大地提高生产效率,且成本低廉,适合批量生产。
附图说明
图1是本发明制备的锂离子电池碳负极材料包覆层的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法,采用喷雾干燥造粒法制备,喷雾造粒是借助于蒸发直接从溶液或浆料中制的干粒子,喷雾造粒系统由雾化器(气流式,压力式,离心式)、浆料供给系统(浆料池、泵)、干燥塔、热风系统(空气加热器、热风分配器)、气固分离系统(除尘器、引风机、废气烟囱)等构成。料液通过泵输入,喷出雾状微小液滴,雾滴在表面张力的作用下收缩成球形,经与热风进行充分热交换得以快速蒸发掉液料中的水份(或溶剂),然后同热空气并流下降,并随热风排出,得到粉状或颗粒状产品。大部份粉粒由塔底排料口收集,废气及其微小粉末经过旋风分离器分离,废气由抽风机排出,粉末由设在旋风分离器下端的授粉筒收集。
实施例1
浆料的配制:
首先将4(wt)%MC水溶液500克,与500克人造石墨粉(d50=10-20微米)混合,置于行星磨中,开动搅拌机,混和搅拌1小时;加入4(wt)%MC水溶液500克,再搅拌2小时;加入丁苯橡胶(SBR)乳浊液300克(水胶乳液含SBR40%,粒度为100-150纳米),搅拌1小时;加入去离子水500克再搅拌半小时。
将上述浆料输送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒。石墨粉表面被丁苯橡胶(SBR)及甲基纤维素(MC)所包覆。这个步骤为传统技术手段,只要雾化和干燥就可以,没有特殊要求。
将被丁苯橡胶(SBR)及甲基纤维素(MC)所包覆的石墨粉置于碳化设备中碳化,在氮气保护下,逐步升温,100-120℃脱水阶段保持2小时,300-500℃脱氧保持3小时,最后温度升到700-800℃基本脱氢碳化保持3小时,得到硬碳包覆的石墨粉。
实施例2
浆料的配制:
首先将4%羟丙基甲基纤维素(HPMC)水溶液400克,与500克球化天然石墨粉(d50=10-20微米)混合,置于行星磨中,开动搅拌机,混和搅拌1小时;加入4(wt)%羟丙基甲基纤维素(HPMC)水溶液400克,再搅拌2小时;加入丁苯橡胶(SBR)乳浊液300克(水胶乳液含SBR40(wt)%,粒度为100-150纳米),搅拌1小时;加入去离子水500克再搅拌半小时。将上述浆料输送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒。球化天然石墨粉表面被丁苯橡胶(SBR)及羟丙基甲基纤维素(HPMC)所包覆。
将被丁苯橡胶(SBR)及羟丙基甲基纤维素(HPMC)所包覆的石墨粉置于碳化设备中碳化,在氮气保护下,逐步升温,经过100-120℃脱水阶段保持2小时,300-500℃脱氧保持3小时,最后温度升到650-800℃保持3-5小时基本脱氢碳化,得到硬碳包覆的球化天然石墨粉。
实施例3
浆料的配制:
首先将4%羟乙基甲基纤维素(HEMC)水溶液500克,与500克人造石墨粉(d50=10-20微米)混合,置于行星磨中,开动搅拌机,混和搅拌1小时;加入4(wt)%羟乙基甲基纤维素(HEMC)水溶液500克,再搅拌2小时;加入SBR改性乳化石油沥青水胶乳液(SBR5(wt)%+沥青20(wt)%+75(wt)%水)400克,搅拌1小时;加入去离子水750克再搅拌半小时。将上述浆料输送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒。石墨粉表面被丁苯橡胶(SBR)、沥青及羟乙基甲基纤维素(HEMC)所包覆。
将被丁苯橡胶(SBR)、石油沥青及羟乙基甲基纤维素(HEMC)所包覆的人造石墨粉置于碳化设备中碳化,在氮气保护下,逐步升温,经过100-120℃脱水阶段保持2小时,300-500℃脱氧保持3小时,最后温度升到700-1000℃保持3-5小时,得到硬碳及软碳同时包覆的人造石墨粉。
实施例4
浆料的配制:
首先将4(wt)%MC水溶液500克,与500克球化天然石墨粉(d50=10-20微米)混合,置于行星磨中,开动搅拌机,混和搅拌1小时;加入4(wt)%MC水溶液500克,再搅拌2小时;加入SBR改性乳化煤沥青水胶乳液(SBR5(wt)%+煤沥青25(wt)%+70(wt)%水)400克,搅拌1小时;加入去离子水500克再搅拌半小时。将上述浆料输送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒。石墨粉表面被丁苯橡胶(SBR)、煤沥青及甲基纤维素(MC)所包覆。
将被被丁苯橡胶(SBR)、煤沥青及甲基纤维素(MC)所包覆的人造石墨粉置于碳化设备中碳化,在氮气保护下,逐步升温,经过100-120℃脱水阶段保持2小时,300-500℃脱氧保持3小时,最后温度升到800-1000℃保持3-5小时,得到硬碳及软碳同时包覆的人造石墨粉。
实施例5
浆料的配制:
首先将4%MC水溶液500克,与500克球化天然石墨粉(d50=10-20微米)混合,置于行星磨中,开动搅拌机,混和搅拌1小时;加入4(wt)%MC水溶液500克,再搅拌2小时;加入亲水性酚醛树脂胶乳液(酚醛树脂25(wt)%+75(wt)%水)400克,搅拌1小时;加入去离子水500克再搅拌半小时。将上述浆料输送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒。石墨粉表面被酚醛树脂及甲基纤维素(MC)所包覆。
将被酚醛树脂和甲基纤维素(MC)所包覆的人造石墨粉置于碳化设备中碳化,在氮气保护下,逐步升温,经过100-120℃脱水阶段保持2小时,300-500℃脱氧保持3小时,最后温度升到600-800℃保持3小时,得到硬碳包覆的人造石墨粉。

Claims (6)

1.一种锂离子电池碳负极材料包覆层的制备方法,其特征在于:采用喷雾干燥造粒法进行,步骤为:
1)将碳粉、聚合物乳浊液、稳定剂水溶液及水按一定比例混合,配制成浆料;浆料中碳粉∶聚合物乳浊液中聚合物固含量∶稳定剂固含量∶水的重量比例分别为10~35(wt)%∶3~35(wt)%∶1~10(wt)%∶40~80(wt)%;
2)将上述浆料送入喷雾干燥造粒机中进行造粒包覆,浆料乳液通过雾化器分散为雾滴,雾滴与热干燥空气接触,除去水分,变成粉末状颗粒,使得碳粉表面包覆聚合物;
3)最后把包覆聚合物的碳粉置于碳化设备中,在氮气保护下,逐步升温,经过100-120℃脱水阶段保持1.5-2.5小时,300-500℃脱氧保持2.5-3.5小时,最后温度升碳化温度600~2500℃,得到所需的锂离子电池碳负极材料包覆层;
所述聚合物乳浊液至少含微米或纳米级聚合物颗粒和水,聚合物乳浊液通过聚合反应或通过高速剪切乳化机或胶磨机乳化而得,聚合物固含量3~35(wt)%。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述微米或纳米聚合物包括丁苯橡胶、煤沥青或石油沥青、丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、糠醛树脂或ABS树脂,聚合物乳浊液中聚合物固含量3-35(wt)%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述碳粉为焦碳粉体或石墨粉体,所述焦碳粉体为石油沥青焦或煤沥青焦,所述石墨粉体为球化天然石墨或人造石墨;所述碳粉的粒度在4~50um之间,碳层间距d(002)=0.33548-0.337nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述稳定剂为水溶性纤维素材料,包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯或羧甲基纤维素纳的纤维素材料,纤维素材料在稳定剂中的含量1~10(wt)%。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述碳化温度为600~2500℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述微米或纳米级聚合物颗粒大小为5~0.05um。
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