CN103311514A - 一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，原料按照重量份比例，包括以下步骤：（1）将石墨、酚醛树脂、纳米硅粉加入树脂量3%～5%的六次甲基四胺，混合成均匀浆体；（2）将混合均匀的浆体通过喷雾干燥，得到表面包裹有纳米硅和酚醛树脂混合物的石墨粉体；（3）将所得到的粉体与沥青粉体混合均匀；（4）将所得到的粉体通过高温处理得到高容量改性石墨负极材料。通过选用纳米硅粉，避免了硅粉因粒径较大而在充放电时产生的体积效应，保证了材料的在充放电过程中的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体为一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法。
背景技术
自从1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池并将其商品化以来，锂离子电池得到了迅猛发展。如今锂离子电池已经广泛地应用于民用及军用的各个领域。随着科技的不断进步，人们对电池的性能提出了更多更高的要求：电子设备的小型化和个性化发展，需要电池具有更小的体积和更高的比能量输出；航空航天能源要求电池具有循环寿命，更好的低温充放电性能和更高的安全性能；电动汽车需要大容量、低成本、高稳定性和安全性能的电池。
目前商业化锂离子电池负极材料采用的是石墨类碳材料，具有较低的锂嵌入/脱嵌电位、合适的可逆容量且资源丰富、价格低廉等优点，是比较理想的锂离子电池负极材料。但其理论比容量只有372mAh/g，因而限制了锂离子电池比能量的进一步提高，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求。
硅是一种最有希望取代碳材料的负极材料，这是因为硅具有高达4200mAh/g 的最高容量；并且具有类似于石墨的平稳的放电平台。但与其它高容量金属相似，硅的循环性能非常差，不能进行正常的充放电循环。硅作为负极材料使用时，在充放电循环过程中， Li2Si 合金的可逆生成与分解伴随着巨大的体积变化，会引起合金的机械分裂( 产生裂缝与粉化)，导致材料结构的崩塌和电极材料的剥落而使电极材料失去电接触，从而造成电极的循环性能急剧下降，最后导致电极失效，因此在锂离子蓄电池中很难实际应用。研究表明，小粒径的硅或其合金无论在容量上还是在循环性能上都有很大的提高，当合金材料的颗粒达到纳米级时，充放电过程中的体积膨胀会大大减轻，性能也会有所提高，但是纳米材料具有较大的表面能，容易发生团聚，反而会使充放电效率降低并加快容量的衰减，从而抵消了纳米颗粒的优点；采用各种沉积方法制备的硅膜能够在一定程度上延长材料的循环寿命，却不能消除其较高的首次不可逆容量，从而制约了这种材料的实用化。另外一种改善硅负极性能的研究趋势就是制备硅与其它材料的复合材料或合金，其中，结合碳材料的稳定性和硅的高比容量特性而制备的硅/碳复合材料显示了巨大的应用前景。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，以解决上述背景技术中的缺点。
一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，原料按照重量份比例，包括以下步骤：（1）将石墨、酚醛树脂、纳米硅粉按照100：5～20：5～10，固含量为20%～50%的比例，首先称取一定量的纳米硅粉放入酒精溶剂中，并超声分散，然后分别加入酚醛树脂和石墨，同时加入树脂量3%～5%的六次甲基四胺作为树脂固化剂，不断搅拌，混合成均匀浆体；（2）将混合均匀的浆体通过喷雾干燥，得到表面包裹有纳米硅和酚醛树脂混合物的石墨粉体；（3）再将所得到的粉体与沥青粉体按照100：5～20的比例混合均匀；（4）再将所得到的粉体在惰性气体的保护下，以1～20℃/min的速度升温至1000～1200℃，再保温0.5～5h，自然降温，冷却后过筛即得到高容量改性石墨负极材料。
进一步，石墨为天然石墨或人造石墨，平均粒径为5 ～ 50μm、振实密度≥ 0.7g/cm3、比表面积≤7m2/g。
进一步，硅粉的粒径不大于100纳米。
进一步，喷雾干燥的热空气的进口温度为200℃～300℃，出口温度为40℃～90℃。
进一步，沥青粉体包括由煤沥青、石油沥青、改质沥青、中间相沥青、由沥青改质而得到的缩合多环多核芳香烃中的一种或一种以上的混合物所制备的粉体，软化点在100--280℃，平均粒径为2～5μm。
有益效果
(1)通过选用纳米硅粉，避免了硅粉因粒径较大而在充放电时产生的体积效应，保证了材料的在充放电过程中的稳定性，同时和石墨进行复合包覆处理，解决了单一石墨负极材料容量偏低等缺点；
(2)树脂在热处理过程中，树脂内的小分子过多，在溢出过程中会造成包覆后材料的表面产生过多的空隙，这些空隙可以起到缓冲硅粉的体积效应，保证材料体系的稳定；
(3)通过最后用沥青对材料进行二次包覆，降低了材料的比表面积，提高了材料的首次充放电效率；
(4)通过在前面步骤添加树脂固化剂——六次甲基四胺，让树脂在喷雾干燥步骤中受热固化，因此不会因为第二次受热而熔化，避免了后期又因添加沥青而导致高温烧结后结块严重的问题。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
按照石墨、酚醛树脂、纳米硅粉按照100：10：5，固含量为30%的比例，称取100g的纳米硅粉放入5366g的酒精溶剂中，并超声分散，然后分别加入200g的酚醛树脂和2000g天然石墨，同时加入树脂量3%的六次甲基四胺6g，不断搅拌，混合成均匀浆体；再将浆体进行喷雾干燥，得到表面包裹有纳米硅和酚醛树脂混合物的石墨粉体，再将粉体与沥青粉体按照100：5的比例混合均匀后，在惰性气体的保护下，以20℃/min的速度升温至1100℃，再保温3h，自然降温，冷却后过筛即得到高容量改性石墨负极材料。
实施例2
按照石墨、酚醛树脂、纳米硅粉按照100：15：5，固含量为30%的比例，称取100g的纳米硅粉放入5600g的酒精溶剂中，并超声分散，然后分别加入300g的酚醛树脂和2000g天然石墨，同时加入树脂量3%的六次甲基四胺9g，不断搅拌，混合成均匀浆体；再将浆体进行喷雾干燥，得到表面包裹有纳米硅和酚醛树脂混合物的石墨粉体，再将粉体与沥青粉体按照100：5的比例混合均匀后，在惰性气体的保护下，以20℃/min的速度升温至1100℃，再保温3h，自然降温，冷却后过筛即得到高容量改性石墨负极材料。
实施例3
按照石墨、酚醛树脂、纳米硅粉按照100：15：10，固含量为30%的比例，称取200g的纳米硅粉放入5833g的酒精溶剂中，并超声分散，然后分别加入300g的酚醛树脂和2000g天然石墨，同时加入树脂量3%的六次甲基四胺9g，不断搅拌，混合成均匀浆体；再将浆体进行喷雾干燥，得到表面包裹有纳米硅和酚醛树脂混合物的石墨粉体，再将粉体与沥青粉体按照100：5的比例混合均匀后，在惰性气体的保护下，以20℃/min的速度升温至1100℃，再保温3h，自然降温，冷却后过筛即得到高容量改性石墨负极材料。
对比例1
按照石墨、酚醛树脂按照100：10，固含量为30%的比例，200g的酚醛树脂和2000g天然石墨放入5113g的酒精溶剂中，同时加入树脂量3%的六次甲基四胺6g，不断搅拌，混合成均匀浆体；再将浆体进行喷雾干燥，得到表面包裹有酚醛树脂混合物的石墨粉体，再将粉体与沥青粉体按照100：5的比例混合均匀后，在惰性气体的保护下，以20℃/min的速度升温至1100℃，再保温3h，自然降温，冷却后过筛即得到高容量改性石墨负极材料。
[0017] 对比例2
未经任何处理的天然球形石墨直接进行电性能测试。
电化学性能测试
为检验本发明方法制备的锂离子动力电池改性石墨负极材料的性能，用半电池测试方法进行测试，用以上实施例和比较例的负极材料：乙炔黑：PVDF（聚偏氟乙烯）=93：3：4（重量比），加适量NMP（N-甲基吡咯烷酮）调成浆状，涂布于铜箔上，经真空110℃干燥8小时制成负极片；以金属锂片为对电极，电解液为1mol/L LiPF6/EC+DEC+DMC=1：1：1，聚丙烯微孔膜为隔膜，组装成电池。充放电电压为0～2.0V，充放电速率为0.2C，对电池性能进行能测试，测试结果见表1：
表1为不同实施例和比较例中负极材料的性能比较
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，原料按照重量份比例，其特征在于，包括以下步骤：（1）将石墨、酚醛树脂、纳米硅粉按照100：5～20：5～10，固含量为20%～50%的比例，首先称取一定量的纳米硅粉放入酒精溶剂中，并超声分散，然后分别加入酚醛树脂和石墨，同时加入树脂量3%～5%的六次甲基四胺作为树脂固化剂，不断搅拌，混合成均匀浆体；（2）将混合均匀的浆体通过喷雾干燥，得到表面包裹有纳米硅和酚醛树脂混合物的石墨粉体；（3）再将所得到的粉体与沥青粉体按照100：5～20的比例混合均匀；（4）再将所得到的粉体在惰性气体的保护下，以1～20℃/min的速度升温至1000～1200℃，再保温0.5～5h，自然降温，冷却后过筛即得到高容量改性石墨负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征在于，石墨为天然石墨或人造石墨，平均粒径为5 ～ 50μm、振实密度≥ 0.7g/cm3、比表面积≤7m2/g。
3.根据权利要求1所述的一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征在于，硅粉的粒径不大于100纳米。
4.根据权利要求1所述的一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征在于，喷雾干燥的热空气的进口温度为200℃～300℃，出口温度为40℃～90℃。
5.根据权利要求1所述的一种改性锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征在于，沥青粉体包括由煤沥青、石油沥青、改质沥青、中间相沥青、由沥青改质而得到的缩合多环多核芳香烃中的一种或一种以上的混合物所制备的粉体，软化点在100--280℃，平均粒径为2～5μm。
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