CN103346326A - 一种锂离子电池炭负极材料生产方法 - Google Patents

一种锂离子电池炭负极材料生产方法 Download PDF

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叶涛
蔡奉翰
王丽琼
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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池负极材料生产方法，以石油沥青或煤沥青为原料，在400～460℃温度下进行聚合反应，在反应后期取样进行偏光显微镜观察，当体系中间相含量达到20～80%时终止反应，冷却后进行粉碎得到原料A。以平均粒径10～25μm的炭粉、天然石墨粉、人造石墨粉或其混合物为原料B。以重油、洗油、蒽油等有机溶剂为原料C。将以上三种原料按A/B=（5～70）/（30～95）或（A+B）/C=（20～70）/（30～80）的比例在150～200℃温度进行混合，然后在搅拌状态及400～600℃温度下进行热处理，最后进行炭化处理、石墨化处理。本发明的优点在于：容量高、循环寿命长。

Description

一种锂离子电池炭负极材料生产方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池炭负极材料生产方法，属于锂离子电池负极材料技术领域。
背景技术
近年来，锂离子电池获得了越来越广泛的应用。在锂离子电池技术的开发过程中，电池品质不断得到提高，生产成本不断下降。在对锂离子电池技术进步的贡献中负极材料起了很大作用。通过表面处理方法获得质优价廉的负极材料已经成为负极材料开发的主要方向之一，在实用上也取得了很大进展。尽管表面处理的实用方法很多，这方面的技术开发仍然有很大潜力。
锂离子电池负极材料在实际应用中仍然是石墨类材料占主导地位。人造石墨和天然石墨作为负极材料各有优点和缺点，人造石墨具有循环稳定的优点，但在容量上一般要低于天然石墨。天然石墨虽然具有容量高的优点，但在循环过程中容量衰减快是其致命弱点。负极材料的表面处理方法对于提高容量和改善循环性能都有一定作用，因此不论对于天然石墨还是人造石墨负极材料，表面处理技术在生产过程中都处于非常重要的地位，有很多关于负极材料的发明专利都与表面处理技术有关。JP2000357506是用裂解石墨对炭或石墨粉进行包覆，用这种包覆方法不能获得较厚的包覆层，对于天然石墨的循环性能将受到限制。JP10294111通过热混合的方法用沥青包覆炭或石墨粉，在氧化气氛中进行不熔化处理，防止颗粒熔并。这里的不熔化处理工艺对设备要求较高，不容易降低生产成本。JP2000348720用中间相沥青包覆石墨，也要进行不熔化处理。JP2000203817是用非晶炭对石墨做包覆，做法是将有机物溶解在溶剂中，再将石墨颗粒分散在溶液中，去除溶剂后，进行干燥和热处理，对于天然石墨用这种方法同样得不到较厚的包覆层，因而难以使循环性能得到根本改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池炭负极材料生产方法，克服以往负极材料表面处理工艺无法实现大比例包覆或工艺过于复杂的缺点，通过深度聚合获得高固含量沥青，用高固含量沥青实现高比例包覆，最终提高锂离子电池的电性能。
本发明的技术方案：一种锂离子电池炭负极材料生产方法，具体生产工艺为：
（a）以石油沥青或煤沥青为原料，在400~460℃温度下进行聚合反应，在反应过程中用偏光显微镜观察体系中间相的生长情况，当体系中间相的含量达到20~80%时终止反应，终止反应时体系处于流动状态，冷却后进行粉碎得到包覆原料A；所述的石油沥青为乙烯渣油，所述的煤沥青为中温沥青、改质沥青、硬沥青或生产中间相小球时产生的副产沥青；
（b）以炭粉、天然石墨粉与人造石墨粉中的一种或其中任意2~ 3种混合而成的混合物为原料B，所述原料B的粒径D50为10~30μm之间；所述的炭粉为沥青焦粉或石油焦粉，所述的石油焦粉为生焦粉或煅后焦粉。
（c）以有机溶剂为原料C，所述的有机溶剂为重质芳烃溶剂，如重油或洗油；
（d）将以上所述的A、B、C三种原料按A/B=（5~70）/（30~95）或（A+B）/C=（20~70）/（30~80）在150~200℃下进行液相混合，然后在搅拌状态及400~600℃温度下进行热处理，搅拌采用双螺杆或双螺带搅拌方式，最后根据需要选择在900~1200℃温度下进行炭化处理，或者在2600~3000℃温度下进行石墨化处理，或者在900~1200℃温度下进行炭化处理后紧接着在2600~3000℃温度下进行石墨化处理；或者将以上所述的A、B两种原料按A/(A+B)=10~70%在150~200℃下进行液相混合，然后在搅拌状态及400~600℃温度下进行热处理，最后在2600~3000℃温度下进行石墨化处理。
本发明的有益效果： 
1 、本发明可以大幅度提高包覆沥青的比例，使天然石墨的电性能得到根本改善。
2、 可以使人造石墨的颗粒形状和表面状态得到很大改进，提高电池负极极片的体积密度，降低不可逆容量损失，因此容量高、循环寿命长。
3 、生产工艺简单，生产效率高，降低负极材料生产成本。
具体实施方式
实施例1：
300克的乙烯渣油，420℃温度下聚合360分钟，偏光显微镜下观察体系中间相含量达到25%，终止反应，冷却后粉碎得到原料A。
称取原料A 100克，天然石墨B 400克，溶剂油C 300克。
将上述三种原料混合，在200℃温度下溶解120分钟。再将温度升到450℃，在强搅拌下维持240分钟。继续缓慢升温至600℃，维持180分钟，在2700℃温度下进行石墨化。
用扣式电池做试验，所得负极材料首次放电容量为355mAh/g，首次放电效率为95%。300次循环后容量保持90%。
实施例2：
300克的改质沥青，430℃温度下聚合180分钟，偏光显微镜下观察体系中间相含量达到40%，终止反应，冷却后粉碎得到原料A。
称取原料A 100克，人造石墨B 200克，洗油C 600克。
将上述三种原料混合，在200℃温度下溶解120分钟。再将温度升到440℃，在强搅拌下维持180分钟。继续缓慢升温至600℃，维持150分钟。在2800℃温度下进行石墨化。
用扣式电池做试验，所得负极材料首次放电容量为335mAh/g，首次放电效率为96%，300次循环后容量保持91.5%。
实施例3：
300克的中温沥青，450℃温度下聚合180分钟，偏光显微镜下观察中间相含量达到70%，终止反应，冷却后粉碎得到原料A。
称取原料A 140克，石油焦焦粉B 60克，吡啶溶剂C 700克。
将上述三种原料混合，在200℃温度下溶解120分钟。再将温度升到450℃，在强搅拌下维持240分钟。继续缓慢升温至500℃，维持210分钟。在900℃温度下进行炭化处理，在2900℃温度下进行石墨化处理。
用扣式电池做试验，所得负极材料首次放电容量为340mAh/g，首次放电效率为96%，300次循环后容量保持90.8%。
实施例4：
300克的石油沥青，420℃温度下聚合210分钟，偏光显微镜下观察中间相含量达到35%，终止反应，冷却后粉碎得到原料A。
称取原料A 25克，天然石墨B 275克，蒽油溶剂C 150克。
将上述三种原料混合，在200℃温度下溶解120分钟。再将温度升到420℃，在强搅拌下维持210分钟。继续缓慢升温至600℃，维持210分钟。在1200℃温度下进行炭化处理。
用扣式电池做试验，所得负极材料首次放电容量为350mAh/g，首次放电效率为94%，300次循环后容量保持89.2%。

Claims (7)

1.一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：具体生产工艺为：
（a）以石油沥青或煤沥青为原料，在400~460℃温度下进行聚合反应，在反应过程中用偏光显微镜观察体系中间相的生长情况，当体系中间相的含量达到20~80%时终止反应，终止反应时体系处于流动状态，冷却后进行粉碎得到包覆原料A；
（b）以炭粉、天然石墨粉、人造石墨粉中的一种或其中任意2~ 3种混合而成的混合物为原料B，所述原料B的粒径D50为10~30μm之间；
（c）以有机溶剂为原料C；
（d）将以上所述的A、B、C三种原料按A/B=（5~70）/（30~95）或（A+B）/C=（20~70）/（30~80）在150~200℃下进行液相混合，然后在搅拌状态及400~600℃温度下进行热处理，最后根据需要选择在900~1200℃温度下进行炭化处理，或者在2600~3000℃温度下进行石墨化处理，或者在900~1200℃温度下进行炭化处理后紧接着在2600~3000℃温度下进行石墨化处理；或者将以上所述的A、B两种原料按A/(A+B)=10~70%在150~200℃下进行液相混合，然后在搅拌状态及400~600℃温度下进行热处理，最后在2600~3000℃温度下进行石墨化处理。
2. 如权利要求1所述的一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：所述的石油沥青为乙烯渣油。
3. 如权利要求1所述的一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：所述的煤沥青为中温沥青、改质沥青、硬沥青或生产中间相小球时产生的副产沥青。
4. 如权利要求1所述的一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：所述的炭粉为沥青焦粉或石油焦粉。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：所述的石油焦粉为生焦粉或煅后焦粉。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：所述的有机溶剂为重质芳烃溶剂。
7.如权利要求1所述的一种锂离子电池炭负极材料生产方法，其特征在于：所述搅拌采用双螺杆或双螺带搅拌方式。
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