CN104124456A - 一种锂离子二次电池负极材料及其制造方法 - Google Patents

一种锂离子二次电池负极材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种锂离子二次电池负极材料及其制造方法，其中该锂离子二次电池负极材料包含：至少一蠕虫状石墨，是经由热处理可膨胀石墨粉生成；及至少一沥青，是被吸附于该蠕虫状石墨的孔洞内；其中，当该沥青吸附于蠕虫状石墨后会进行碳化及石墨化，进而形成一包含多层石墨片的复合石墨颗粒。

Description

一种锂离子二次电池负极材料及其制造方法
技术领域
本发明是关于一种电池负极材料，尤指一种可提高电容量、库伦效率并长时效稳定及低成本的锂离子二次电池负极材料及其制造方法。
背景技术
从目前市面上常见的个人3C产品，如行动电话、智能型手机、个人计算机、平板计算机等，到逐渐发展的电动车、智慧电网亦或云端技术等，以至于通过太阳能、风力等天然资源所产生的电能等，不管在的电能的储存或者电源的使用上都必需高度依赖锂离子二次电池，故锂离子二次电池市场的持续增长，已经是一个非常明显的趋势。一般而言，锂离子电池负极材料包含有碳材、氧化物、氮化物、合金以及奈米复材等。而目前大量商品化的锂电池负极材料以碳材为主，包含焦炭、碳纤维、MCMB(介相沥青碳微球)、人工石墨、天然石墨及非晶质碳等，其中，又以MCMB为整体性能较优的碳材料。
然而，在锂离子二次电池的使用及制造的材料上仍然有缺点有待改良，即一般若利用MCMB作为电池负极制作材料时，其电容量平均大约为330mAh/g，其数值仍有提升的空间，并且MCMB的制造成本高，并且在制造过程中必须使用大量溶剂，容易对环境产生污染，故若能在成本降低并减少溶剂使用的情况下制造出具有较高电容量的锂离子二次电池变为一件重要的课题。
有鉴于此，本发明的发明人为了解决现有锂离子二次电池在使用上及制造上的问题，依据多年研究的经验累积，并搭配自身的创意及不断的尝试下，进而研发出一种可有效改善上述已知技术中所提及的锂离子二次电池负极材料及其制造方法。
发明内容
本发明的第一目的，在于提供一种锂离子二次电池负极材料，是利用蠕虫状石墨作为材料，由于蠕虫状石墨具有高导电性及大量吸油的特性，可提升锂离子二次电池的负极电容量：
因此，为了达成本发明的上述第一目的，本发明的发明人提出一种锂离子二次电池负极材料，包含：至少一蠕虫状石墨，是经由热处理可膨胀石墨粉生成；及至少一沥青，是被吸附于该蠕虫状石墨的孔洞内；其中，当该沥青吸附于蠕虫状石墨后会进行碳化及石墨化，进而形成一包含多层石墨片的复合石墨颗粒。
本发明的第二目的，在于提供一种锂离子二次电池负极的制作方法，以降低制造成本，并减少溶剂的使用以避免环境的污染。
因此，为了达成本发明上述第一目的，本发明的发明人提出一种锂离子二次电池负极的制作方法，该制作方法包含下列步骤：
(1)制备一复合石墨粉体，并进行过筛；
(2)将过筛后的该复合石墨粉体与一导电碳均匀混合成一混合粉体；
(3)制备一混合溶液，是由一黏着剂及一溶剂以充分混合均匀而成；
(4)抽取该混合溶液以特定比例加入该混合粉体中，使之充分混合形成一浆料；
(5)将该浆料涂布于一集电板上，并放入真空烘箱内进行抽真空烘干作业；
(6)将该集电板进行碾压作业；
(7)对集电板进行加工作业，制作成具有适当尺寸及重量的一电极；及
(8)将该电极进行半电池组装作业。
附图说明
图1是本发明的一种锂离子二次电池负极材料的制造方法步骤图；
图2是本发明的锂离子二次电池负极材料的混合粉体制备步骤图；及
图3是本发明的锂离子二次电池负极材料的烘干作业步骤图；
图4是本发明的锂离子二次电池负极材料的电容量特性图；
图5是本发明的锂离子二次电池负极材料的循环次数特性及库伦效率图；
图6是已知技术的MCMB的电容量特性图；及
图7是已知技术的MCMB的循环次数特性及库伦效率图。
主要组件符号说明
S01～S08 步骤编号
S011～S016 步骤编号
S051～S052 步骤编号
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种锂离子二次电池负极材料及其制造方法，以下将配合图示，详尽说明本发明的较佳实施例。
请同时参阅图1，是本发明的一种锂离子二次电池负极材料的制造方法步骤图，如图所示，包含以下步骤：
首先，该方法是先执行步骤(S01)以制备一复合石墨粉体，并进行过筛，其中，该步骤(S01)的详细步骤如图2所示，为本发明的一种锂离子二次电池负极材料的混合粉体制备步骤图，其步骤包含：
(S011)提供一鳞片状石墨粉；
(S012)对该鳞片状石墨粉进行酸化处理；
(S013)适当地水洗并烘干经酸化处理的鳞片状石墨粉，使其成为一可膨胀石墨粉；
(S014)以一特定温度对该可膨胀石墨粉进行高温处理，进而形成一蠕虫状石墨，其中该特定温度是介于700°C～1000°C之间；
(S015)将该蠕虫状石墨与一沥青混合，该沥青会吸附于蠕虫状石墨的孔洞内，并进行碳化及石墨化，进而形成一包含多层石墨片的复合石墨；及
(S016)将该复合石墨进行机械细化成粉体后，再进行粒径分析过筛后便可得到上述的复合石墨粉体。
其中，在步骤(S015)中，该沥青可为石油沥青、煤焦沥青、A240石油沥青或浸渍沥青，并且可以高温液态的形式被吸附于该蠕虫状石墨的孔洞内，此外，该蠕虫状石墨相对于该复合石墨颗粒的重量百分比是介于0.1wt%到10wt%之间。
接下来继续参考图1，并执行步骤(S02)～步骤(S05)，其步骤包含：
(S02)将过筛后的该复合石墨粉体与一导电碳均匀混合两小时后形成一混合粉体；
(S03)制备一混合溶液，是由一黏着剂及一溶剂充分混合两小时后形成而成；
(S04)抽取该混合溶液以特定比例加入该混合粉体中，使之充分混合形成一浆料；
(S05)该浆料涂布于一集电板上，并放入真空烘箱内进行抽真空烘干作业；
此时，请同时参阅图3，是本发明的锂离子二次电池负极材料的烘干作业步骤图，该步骤(S05)的详细步骤包含：
(S051)以刮刀将该浆料涂布于一集电板上；及
(S052)将该集电板放入真空烘箱内，待该混合溶液挥发后，进行抽真空烘干作业。
接下来，请继续参阅图1，并继续执行步骤(S06)～步骤(S08)，该步骤分别为：
(S06)将该集电板以碾压率75%进行碾压作业；
(S07)对集电板进行加工作业，利用打片机制作成具有适当尺寸及重量的一电极；及
(S08)将该电极置入手套箱中进行半电池组装作业，其中，在电池组装作业中所使用的电解液为1.0M的LiPF6，其中，该LiPF6是溶于以1:1:1的重量比混合的ethylene carbonate(碳酸乙烯酯)、polycarbonate(聚碳酸脂)及dimethylcarbonate(碳酸二甲酯)溶液。
通过上述的步骤，即可制作成本发明所述的锂离子二次电池半电池，同时，为了证明由上述制程方法所制得的锂离子二次电池负极材料的电容特性确实有别于先前技术所述的MCMB，对本发明的锂离子二次电池负极材料进行相关测量，其测量结果如图4及图5所示，分别是本发明的锂离子二次电池负极复合材料的电容量特性图及库伦效率图，其测量结果可整理如下表一：
充放电率(C rate) 电容量(mAhg-1) 库伦效率(%)
0.1 351.73 89
0.2 356.15 99
0.5 355 99
1 334.61 99
2 210 99
5 80 99
接下来请参阅图6及图7，是已知技术中MCMB的电容量特性图及库伦效率图，其测量结果可整理如下表二：
由上述表一及表二即可明显得知，依照本发明的制程所制造的锂离子二次电池负极材料，不论在电容量及大充放电率时的库伦效率的比较上皆优于已知技术所使用的MCMB，证明了本发明的制程方法所制得的锂离子二次电池负极材料的确具有较佳的电容量特性。
如此，通过上述的说明，已经对本发明的锂离子二次电池负极材料及其制作方法作了相当完整的揭露，综合上述，可以得知本发明是具有下列的优点：
1.利用蠕虫状石墨作为材料，由于蠕虫状石墨具有高导电性及大量吸油的特性，可提升锂离二次电池的电容量。
2.制程简化，降低了制造成本，并减少了溶剂的使用，以避免造成环境的污染。
然而，上述的详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

Claims (10)

1.一种锂离子二次电池负极材料，其特征在于，包含：
至少一蠕虫状石墨，是经由热处理可膨胀石墨粉生成；及
至少一沥青，是被吸附于该蠕虫状石墨的孔洞内；
其中，当该沥青吸附于蠕虫状石墨后会进行碳化及石墨化，进而形成一包含多层石墨片的复合石墨颗粒。
2.如权利要求1所述的锂离子二次电池负极材料，其特征在于，该沥青是以高温液态的型态吸附于该蠕虫状石墨孔洞内。
3.如权利要求1所述的锂离子二次电池负极材料，其特征在于，该沥青是可为下列组合中的任一种以上：石油沥青、煤焦沥青、A240石油沥青及浸渍沥青。
4.如权利要求1所述的锂离子二次电池负极材料，其特征在于，该蠕虫状石墨相对于该复合石墨颗粒的重量百分比是介于0.1wt%到10wt%之间。
5.一种锂离子二次电池负极之制作方法，其特征在于，步骤包含：
(1)制备一复合石墨粉体，并进行过筛；
(2)将过筛后的该复合石墨粉体与一导电碳均匀混合成一混合粉体；
(3)制备一混合溶液，是由一黏着剂及一溶剂以充分混合均匀而成；
(4)抽取该混合溶液以特定比例加入该混合粉体中，使之充分混合形成一浆料；
(5)将该浆料涂布于一集电板上，并放入真空烘箱内进行抽真空烘干作业；
(6)将该集电板进行碾压作业；
(7)对集电板进行加工作业，制作成具有适当尺寸及重量的一电极；及
(8)将该电极进行半电池组装作业。
6.如权利要求5所述的锂离子二次电池负极的制作方法，其特征在于，该步骤(1)包含下列详细步骤：
(11)提供一鳞片状石墨粉；
(12)对该鳞片状石墨粉进行酸化处理；
(13)适当地水洗并烘干经酸化处理的鳞片状石墨粉，使其成为一可膨胀石墨粉；
(14)以一特定温度对该可膨胀石墨粉进行高温处理，进而形成一蠕虫状石墨；
(15)将该蠕虫状石墨与一沥青混合，该沥青会吸附于蠕虫状石墨的孔洞内，并会进行碳化及石墨化，进而形成一包含多层石墨片的复合石墨；及
(16)将该复合石墨机械进行细化成粉体后，再进行粒径分析过筛。
7.如权利要求6所述的锂离子二次电池负极的制作方法，其特征在于，该特定温度是介于700°C～1000°C之间。
8.如权利要求5所述的锂离子二次电池负极的制作方法，其特征在于，该步骤(5)包含下列详细步骤：
(51)以刮刀将该浆料涂布于一集电板上；及
(52)将该集电板放入真空烘箱内，待该混合溶液挥发后，进行抽真空烘干作业。
9.如权利要求5所述的锂离子二次电池负极的制作方法，其特征在于，在该步骤(6)中的碾压作业的碾压率为75%。
10.如权利要求5所述的锂离子二次电池负极的制作方法，其特征在于，在该步骤(8)中半电池组装作业中所使用的电解液为1.0M的LiPF6，其中，LiPF6是溶于以1:1:1的重量比混合的ethylene carbonate(碳酸乙烯酯)、polycarbonate(聚碳酸脂)及dimethyl carbonate(碳酸二甲酯)溶液。
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