CN104143635B - 一种人造石墨负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种人造石墨负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人造石墨负极材料及其制备方法,其包括如下步骤:①将球形天然石墨、针状焦生焦粉及石墨化催化剂混合均匀得混合物;②将混合物与能够石墨化的粘合剂加热捏合1~2小时;③压成块状得捏合物的成型体;④在惰性气体保护下,将所述的成型体于800~1500℃进行炭化处理,冷却至室温;⑤于2800~3200℃进行催化石墨化高温处理。本发明克服了现有的负极材料制备方法得到的人造石墨负极材料压实密度不足,放电容量低的缺陷,能够改善负极材料的循环性能,得到具有高充放电容量和充放电效率的人造石墨负极材料。

Description

一种人造石墨负极材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及锂离子电池领域,尤其涉及一种人造石墨负极材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 近年来,锂离子电池在移动电话、笔记本电脑、数码摄像机和便携式电器上得到了 大量应用。锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、体积小、质量轻、无污染、快速充放电、 循环寿命长等方面的优异性能,是21世纪发展的理想能源。随着各种产品对小型轻量及多 功能、长时间驱动化要求的不断增加,锂离子电池容量和大电流放电性能的提高仍将依赖 于负极材料的发展和完善。因此,长期以来,提高锂离子电池负极材料的比容量、减少首次 不可逆容量,改善循环稳定性,提高快速充放电性能一直是研究开发的重点。
[0003] 锂离子二次电池的负极材料目前主要是石墨微粉。其中,普通人造石墨粉形状不 规则,比表面积大(通常>5m2/g),导致材料加工性能差,首次效率低,灰分比较高,而且不 易保证批次稳定。
[0004] 因此,为克服普通人造石墨性能上的不足,现有技术对人造石墨进行改性处理。日 本专利JP10294111用沥青对石墨炭材料进行低温包覆,包覆后须进行不融化处理和轻度粉 碎,这种方法难以做到包覆均匀。日本专利JP11246209是将石墨和硬炭颗粒在10〜300°C温 度下在沥青或焦油中浸渍,然后进行溶剂分离和热处理,这种方法难以在石墨和硬炭表面 形成具有一定厚度的高度聚合的沥青层。日本专利JP2000003708用机械方法对石墨材料进 行圆整化,然后在重油、焦油或沥青中进行浸渍,再进行分离和洗涤,单纯从包覆方法看与 JP11246209相近。日本专利JP2000243398是利用沥青热解产生的气氛对石墨材料进行表面 处理,这种方法不大可能使被改性材料的形态得到很大改善,因而使电性能的提高受到限 制。日本专利JP2002042816以芳烃为原料用CVD法进行包覆或用沥青酚醛树脂进行包覆,这 与JP2000182617和JP2000283398在效果上有相似之处。美国专利US2006001003报道了催化 石墨化处理人造石墨类负极材料的方法,能改善快速充放电性能和循环性能。
[0005] 上述文献报道的各种改进方法都存在着不能有效地改善人造石墨类电池负极材 料压实密度低的不足和放电容量低的问题。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的负极材料制备方法得到的人造石 墨负极材料压实密度不足,放电容量低的缺陷,提供了一种人造石墨负极材料及其制备方 法。本发明的制备方法能够改善负极材料的循环性能,得到具有高充放电容量和充放电效 率的人造石墨负极材料。
[0007] 本发明提供了一种人造石墨负极材料的制备方法,其包括如下步骤:①将球形天 然石墨、针状焦生焦粉及石墨化催化剂混合均匀得混合物;②将混合物与能够石墨化的粘 合剂加热捏合1〜2小时;③压成块状得捏合物的成型体;④在惰性气体保护下,将所述的成 型体于800〜1500 °C进行炭化处理,冷却至室温;⑤于2800〜3200 °C进行催化石墨化高温处 理,即可。
[0008] 步骤①中,所述的球形天然石墨可选用本领域各种常规的球形天然石墨。所述的 球形天然石墨的平均粒径为本领域此类材料的常规粒径,较佳地为12〜36μπι。所述的针状 焦生焦粉的平均粒径为本领域此类材料的常规粒径,较佳地为10〜20μπι。
[0009] 步骤①中,所述的石墨化催化剂的用量较佳地为所述的球形天然石墨和针状焦生 焦粉质量之和的1〜1 〇%,更佳地为3〜8%。
[0010] 步骤①中,所述的球形天然石墨和针状焦生焦粉的质量比例较佳地为1:1〜1:4。
[0011] 步骤①中,所述的石墨化催化剂较佳地为下述元素的碳化物和氧化物中的一种或 多种:硅、铁、锡或硼,更佳地为硅的碳化物和/或铁的氧化物。
[0012] 步骤②中,所述的能够石墨化的粘合剂指在石墨负极材料领域中常用的能够起粘 合作用,并且石墨化后能够制成人造石墨的粘合剂,较佳地为石油沥青、煤沥青和酚醛树脂 中的一种或多种。所述的石油沥青或煤沥青的粒径较佳地为〇. Imm以下。本发明所述的石油 沥青、煤沥青或酚醛树脂皆可选用本领域各种规格的石油沥青、煤沥青或酚醛树脂。
[0013] 步骤②中,所述的加热捏合处理可以提高人造石墨负极材料的放电容量,其具体 操作方法可采用本领域常规的方法进行,如固相捏合或液相捏合皆可。液相捏合指将能够 石墨化的粘合剂加热至液态后与球形天然石墨、针状焦生焦粉以及石墨化催化剂进行混捏 处理。固相捏合指将能够石墨化的粘合剂、球形天然石墨、针状焦生焦粉以及石墨化催化剂 一起混合加热升温,进行混捏处理。由于液相捏合可以避免加热温度过高导致能够石墨化 的粘合剂挥发和缩聚,因此优选液相捏合。本发明中的加热捏合的加热温度可根据本领域 常规方法进行选择,一般为低于所述的能够石墨化的粘合剂的交联温度并且在所述的能够 石墨化的粘合剂的软化点温度以上10〜80°C,所述的加热温度较佳地为160〜180 °C。加热 捏合时间短会导致物料结块,混合不均匀,加热捏合时间长会导致粘合剂挥发损失,不能形 成捏合物的成型体,所述的加热捏合的时间为1〜2小时。
[0014] 步骤②中,所述的能够石墨化的粘合剂的用量较佳地为所述的球形天然石墨和针 状焦生焦粉质量之和的10〜30%。
[0015] 在本发明一较佳的实施方式中,在步骤②结束后,将所述捏合物压片并粉碎后进 行步骤③。其中,压片是为了便于搬运、保管和计量,并且可以通过压片检验混合的均匀性 和粘结性,所述压片较佳地为压成厚度2〜5mm的片状物。所述的粉碎可采用本领域各种常 规的粉碎工艺进行,本发明中所述粉碎较佳地为粉碎成平均粒径为5〜ΙΟΟμπι的颗粒。
[0016] 步骤③中,所述的压成块状是为了方便后续的石墨化处理,可采用本领域各种常 规的方法进行,如挤压成型、模压成型或冷等静压成型。
[0017] 步骤④中,所述的炭化处理的时间可根据本领域常规方法进行选择,较佳地为2〜 6小时。
[0018] 步骤④中,所述的惰性气体较佳地为氮气。
[0019] 步骤⑤中,所述的催化石墨化高温处理可采用本领域常规方法进行,较佳地在石 墨化加工炉中进行。所述的催化石墨化高温处理的时间可根据本领域常规方法进行选择, 较佳地为24〜48小时。
[0020] 本发明还提供了一种由上述制备方法制得的人造石墨负极材料。所述的人造石墨 负极材料的性能参数如下表1所示:
[0021]表I
Figure CN104143635BD00051
[0023] 本发明中所述的室温为本领域常规的室温条件,一般为5〜40°C。
[0024] 在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实 例。
[0025] 本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0026] 本发明的积极进步效果在于:
[0027] 1、本发明的人造石墨负极材料的压实密度高,放电容量大,循环性能好,其制成的 扣式电池的综合性能优良,主要有以下优点:①压实密度较高,可达到1.70g/cm3以上;②电 化学性能好,放电容量在360mAh/g以上;③放电平台及平台保持率较高;④循环性能好(300 次循环,容量保持多90%);⑤安全性较好(130°C/60分钟,不爆、不涨);⑥对电解液及其它添 加剂适应性较好;⑦产品性质稳定,批次之间几乎没有差别。
[0028] 2、本发明的制备方法简单可行,适用于工业化生产。
附图说明
[0029] 图1为本发明实施例2的人造石墨负极材料的首次充放电曲线。
[0030] 图2为本发明实施例2的人造石墨负极材料的循环曲线。
具体实施方式
[0031] 下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实 施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,按照常规方法和条件,或按照商 品说明书选择。
[0032] 所述石油沥青为大连明强化工材料有限公司生产的MQ-100中温沥青;所述煤沥青 为河南博海化工有限公司生产的中温沥青;所述酚醛树脂为无锡市阿尔兹化工有限公司生 产的2130酚醛树脂。
[0033] 实施例1
[0034] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为19. Ιμπι) 60kg、针状焦生焦粉(D50为15.4 μπι) 140kg和石墨化催化剂(Si〇2) 16kg,混合均勾得混合物;
[0035] (2)将混合物与石油沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下)60kg于捏合锅中混合,于160 °c进行捏合处理1小时;
[0036] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为4_),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0037] (4)在氮气的保护下,在1100°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至 室温;
[0038] (5)于2800°C进行36小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为18.4μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量361.8mAh/g,首次效率93.1%。
[0039] 实施例2
[0040] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为19.5μπι) 80kg、针状焦生焦粉(D50为15.4 μπι) 120kg和石墨化催化剂(SiC) 6kg,混合均勾得混合物;
[0041] (2)将混合物与石油沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下)20kg于捏合锅中混合,于160 °c进行捏合处理1小时;
[0042] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为3mm),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0043] (4)在氮气的保护下,在800°C的温度下炭化处理6小时,之后将反应产物冷却至室 温;
[0044] (5)于3000°C进行48小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为17.9μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量362.7mAh/g,首次效率92.8%。
[0045] 实施例3
[0046] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为20 . Ιμπι) 100kg、针状焦生焦粉①50为 19.8μηι) IOOkg和石墨化催化剂(Si〇2) 10kg,混合均勾得混合物;
[0047] (2)将混合物与煤沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下MOkg于捏合锅中混合,于160°C 进行捏合处理1小时;
[0048] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为5mm),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0049] (4)在氮气的保护下,在1500°C的温度下炭化处理3小时,之后将反应产物冷却至 室温;
[0050] (5)于3200°C进行48小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为20.4μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量366.5mAh/g,首次效率92.0%。
[0051] 实施例4
[0052] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为12.2μπι) 40kg、针状焦生焦粉(D50为10.5 μπι) 160kg和石墨化催化剂(Fe2〇3) 2kg,混合均勾得混合物;
[0053] (2)将混合物与煤沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下)50kg于捏合锅中混合,于160°C 进行捏合处理2小时;
[0054] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为5_),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0055] (4)在氮气的保护下,在1000°C的温度下炭化处理4小时,之后将反应产物冷却至 室温;
[0056] (5)于2800°C进行48小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为10. Ιμπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量361.7mAh/g,首次效率92.3%。
[0057] 实施例5
[0058] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为36. Ιμπι) 60kg、针状焦生焦粉(D50为19.8 μπι) 140kg和石墨化催化剂(B2O3) 20kg,混合均勾得混合物;
[0059] (2)将混合物与石油沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下MOkg于捏合锅中混合,于170 °C进行捏合处理1.5小时;
[0060] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为2mm),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0061] (4)在氮气的保护下,在1100°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至 室温;
[0062] (5)于3200°C进行24小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为29.8μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量365.8mAh/g,首次效率93.5%。
[0063] 实施例6
[0064] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为18.5μπι) 60kg、针状焦生焦粉(D50为15.4 μπι) 140kg和石墨化催化剂(SiC) 10kg,混合均勾得混合物;
[0065] (2)将混合物与石油沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下)30kg于捏合锅中混合,于180 °c进行捏合处理1小时;
[0066] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为2_),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0067] (4)在氮气的保护下,在900°C的温度下炭化处理5小时,之后将反应产物冷却至室 温;
[0068] (5)于3200°C进行48小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为18.6μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量361.9mAh/g,首次效率93.3%。
[0069] 实施例7
[0070] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为19. Ιμπι) 60kg、针状焦生焦粉(D50为15.4 μπι) 140kg和石墨化催化剂(Sn〇2)6kg,混合均勾得混合物;
[0071] (2)将混合物与煤沥青粉末(已粉碎至0.1mm以下)20kg于捏合锅中混合,于160°C 进行捏合处理1小时;
[0072] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为5mm),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0073] (4)在氮气的保护下,在1100°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至 室温;
[0074] (5)于3200°C进行48小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为18.4μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量361.2mAh/g,首次效率93.7%。
[0075] 实施例8
[0076] (1)搅拌下交替加入球形天然石墨①50为19.5μπι) 60kg、针状焦生焦粉(D50为15.4 μπι) 140kg和石墨化催化剂(Si〇2) 16kg,混合均勾得混合物;
[0077] ⑵将混合物与酚醛树脂粉末50kg于捏合锅中混合,于180°C进行捏合处理1小时;
[0078] (3)捏合结束后,在压片机中压成片状(厚度为5mm),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的 颗粒,模压压块成型;
[0079] (4)在氮气的保护下,在1100°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至 室温;
[0080] (5)于2800°C进行48小时的催化石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为17.5μπι的人 造石墨负极材料,其半电池容量365.2mAh/g,首次效率92.8%。
[0081] 对比实施例1
[0082] 搅拌下交替加入球形天然石墨①50为16.5μπι) 60kg、针状焦生焦粉(D50为15.4μπι) 140kg和石油沥青粉末(已粉碎至0. Imm以下)20kg到反应爸中混合,进行热包覆处理;包覆 结束后在氮气的保护下,在1100°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至室温, 与添加剂(SiO2) IOkg交替加入悬臂双螺旋锥形混合机中混合后再进行48小时催化石墨化 高温处理(3200 °C)。制得颗粒粒径D50为16.8μπι的人造石墨负极材料,其半电池容量 365 · 8mAh/g,首次效率 88 · 9%。
[0083] 对比实施例2
[0084] 搅拌下交替加入针状焦生焦粉①50为19.8μπι) 200kg和石油沥青粉末(已粉碎至 0.1mm以下)20kg到捏合锅中混合,于160°C进行捏合处理1小时,捏合结束后,在压片机中压 成片状(厚度为2mm),粉碎成平均粒径小于ΙΟΟμπι的颗粒,模压压块成型。在氮气的保护下, 并在1100°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至室温,再于2800°C进行48小时 石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为22.4μπι人造石墨负极材料,其半电池容量355. ImAh/ g,首次效率90.9%。
[0085] 对比实施例3
[0086] 搅拌下交替加入球形天然石墨①50为27.1ym)60kg、针状焦生焦粉(D50为15.4μπι) 140kg混合均匀,与煤沥青粉末(已粉碎至0. Imm以下)20kg到捏合锅中混合,于160°C进行捏 合处理1小时,捏合结束后,在压片机中压成片状(5_),粉碎成粒径小于ΙΟΟμπι的颗粒,模压 压块成型。在氮气的保护下,并在ll〇〇°C的温度下炭化处理2小时,之后将反应产物冷却至 室温,再于2800°C进行48小时石墨化高温处理,制得颗粒粒径D50为25.7μπι人造石墨负极材 料,其半电池容量363.6mAh/g,首次效率89.2%。
[0087] 效果实施例
[0088] (1)对实施例1〜8以及对比实施例1〜3中的人造石墨负极材料分别进行粒径、真 密度、压实密度、比表面积以及灰分等测试,结果列于表2中。测试所使用的仪器名称及型号 为:粒径,激光粒度分布仪152000;真密度,超级恒温水槽5(:-15;灰分,高温电炉512-2.5-12;压实密度,极片乳机JZL235X35-B111;比表面积,比表面积测定仪N0VA2000。
[0089] ⑵采用半电池测试方法对实施例1〜8以及对比实施例1〜3中的人造石墨负极材 料进行放电容量以及首次效率的测试,结果列于表2。
[0090] 半电池测试方法为:石墨样品、含有6〜7%聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮及2%的导 电炭黑按91.6:6.6:1.8的比例混合均匀,涂于铜箱上,将涂好的极片放入温度为IHTC真空 干燥箱中真空干燥4小时备用。模拟电池装配在充氩气的德国布劳恩手套箱中进行,电解液 为IM LiPF6+EC:DEC:DMC=l: 1:1 (体积比),金属锂片为对电极,电化学性能测试在美国 ArbinBT2000型电池测试仪上进行,充放电电压范围为0.005至1.0V,充放电速率为0.1C。图 1为实施例2的首次充放电曲线,其他实施例同实施例2。
[0091] (3)采用全电池测试方法对实施例2的锂二次电池用人造石墨负极材料进行测试。 全电池测试方法为:以实施例2的人造石墨作为负极,以钴酸锂作为正极,IM LiPF6+EC: DMC:EMC= 1:1:1 (体积比)溶液作电解液装配成全电池,测试IC充放300周后容量保持率可 达93.65%,表明循环性能好,结果如图2所示。
[0092] (4)对由实施例1〜8的锂二次电池用人造石墨负极材料制成的成品电池其它相关 项目测试结果为:放电平台(3.6V)彡75%,循环100周平台保持彡95%; 300次循环,容量保持 多90%;过充、高温短路、热冲击等安全性能测试稳定性好,不起火,不爆炸,表面温度不超过 150°C;对电解液及其它添加剂适应性较好,不析锂;产品稳定,批次之间几乎没有差别;过 充性能好;极片加工性好。
[0093] 表 2
Figure CN104143635BD00091
[0095] 从表2可以看出,对比实施例1的放电效率低,仅为88.9%;对比实施例2的放电容量 低,仅为355. ImAh/g,且压实密度低;对比实施例3的压实密度低。采用本发明所述方法制备 的锂二次电池用人造石墨负极材料,比表面积可以控制在3 . O〜4. Om2/g,放电容量可达 360mAh/g以上,压实密度不小于1.70g/cm3;克容量及压实密度较高,降低了不可逆容量的 损失,提高了能量密度,减少正极的用量;比表面积控制在合适的范围,既能保证颗粒表面 细孔发达,又有利于抑制锂离子电池体系产生气胀现象,电池的安全性能好;过充性能较 好;理想的电压平台,放电电压很快能达到平稳状态,如图1所示;循环性能好,循环300次后 容量保持率可达到93.65%,如图2所示。

Claims (12)

1. 一种人造石墨负极材料的制备方法,其特征在于其包括如下步骤:①将球形天然石 墨、针状焦生焦粉及石墨化催化剂混合均匀得混合物,所述的球形天然石墨的平均粒径为 12〜36μΐΉ;所述的针状焦生焦粉的平均粒径为IO〜20μΐΉ;②将混合物与能够石墨化的粘合 剂加热捏合1〜2小时;③压成块状得捏合物的成型体;④在惰性气体保护下,将所述的成型 体于800〜1500°C进行炭化处理,冷却至室温;⑤于2800〜3200°C进行催化石墨化高温处 理,即可; 步骤①中,所述的石墨化催化剂的用量为所述的球形天然石墨和所述的针状焦生焦粉 质量之和的1〜10%,所述的球形天然石墨和针状焦生焦粉的质量比例为1:1〜1:4。
2. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的石墨化催化剂为下述元素的碳化 物和氧化物中的一种或多种:硅、铁、锡或硼。
3. 如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的石墨化催化剂为硅的碳化物和/ 或铁的氧化物。
4. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的能够石墨化的粘合剂为石油沥 青、煤沥青和酚醛树脂中的一种或多种。
5. 如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述的石油沥青或煤沥青的粒径为
0. Imm以下。
6. 如权利要求1〜5中任一项所述的制备方法,其特征在于:所述的能够石墨化的粘合 剂的用量为所述的球形天然石墨和针状焦生焦粉质量之和的10〜30%。
7. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的加热捏合的加热温度为低于所述 的能够石墨化的粘合剂的交联温度并且在所述的能够石墨化的粘合剂的软化点温度以上 10 〜8(TC〇
8. 如权利要求7所述的制备方法,其特征在于:所述的加热温度为160〜180°C。
9. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:在步骤②结束后,将所述的捏合物压片 并粉碎后进行步骤③。
10. 如权利要求9所述的制备方法,其特征在于:所述的压片为压成厚度2〜5mm的片状 物;所述的粉碎为粉碎成平均粒径为5〜IOOym的颗粒。
11. 如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤④中,所述的炭化处理的时间为2 〜6小时;和/或,步骤⑤中,所述的催化石墨化高温处理的时间为24〜48小时。
12. —种由权利要求1〜11中任一项所述的制备方法制得的人造石墨负极材料。
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