CN105118960A - 一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法 - Google Patents

一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，以天然石墨微粉为原料A，以石油焦或针状焦微粉为原料B，以沥青或树脂微粉为原料C，以单种或多种金属微粉或其金属氧化物微粉为原料D；取上述原料A、B、C和原料D，先按重量比A/B=100/（25.0~100.0）的比例进行复合，再按重量比（A+B）/C=100/（2~10）的比例进行混合改性，最后按重量比（A+B+C）/D=100/（0.5~3.0）的比例进行混合；将得到的最后混合物在2600~3200℃条件下进行石墨化，待物料冷却至室温后再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。本发明的优点在于：采用天然石墨复合人造石墨并进行改性包覆，不仅可以使材料获得良好的加工性能，同时能提高其容量、循环寿命和高低温性能。

Description

一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法
技术领域
本发明涉及一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，属于锂离子电池负极材料技术领域。
背景技术
目前，商品化的锂离子电池负极材料主要是碳材料，碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面显示出较好的性能，并且碳材料价廉、无毒。众所周知，碳材料种类繁多，目前研究得较多且较为成功的碳负极材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等。
但在众多的用作碳负极的材料中，只有微珠碳、天然石墨和人造石墨这几类较为成熟。微珠碳循环性能好，但由于容量较低，相较天然石墨和人造石墨而言，目前用量还不是很大；天然石墨具有低的嵌入电位，优良的嵌入、脱出性能，是良好的锂离子电池负极材料，但循环性能一般，主要用在数码电池上；人造石墨虽循环性能比天然石墨稍好，但是却存在加工困难、容量低和反弹大等缺陷。因此，为了克服单一材料的某种缺陷，选择将其中二种或多种材料进行复合来提升材料综合性能至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，通过采用天然石墨复合人造石墨并进行改性包覆、石墨化，不仅可以使材料获得良好的加工性能，而且同时能提高其首次放电效率、循环寿命和高低温性能，从而克服人造石墨存在加工困难、容量低和反弹大等缺陷。
本发明的技术方案：一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，具体生产工艺为：
（a）以天然石墨为原料A，将原料A粉碎成粒径为5.0~22.0μm的微粉，要求碳含量为≥85.0%；
（b）以石油焦或针状焦为原料B，将原料B粉碎成粒径5.0~18.0μm的微粉；
（c）以沥青或树脂为原料C，将原料C进行气流粉碎，要求粒径≤5μm；
（d）以单种或多种金属微粉或其金属氧化物微粉为原料D；
（e）取上述原料A微粉、原料B微粉、原料C微粉和原料D，先按重量比A/B=100/（25.0~100.0）的比例进行复合；再按重量比（A+B）/C=100/（2~10）的比例进行混合改性，所述改性工艺采用可控温反应釜，反应釜温度控制区间为350~900℃；最后按重量比（A+B+C）/D=100/（0.5~3.0）的比例进行混合；
（f）将（e）步骤得到的最后混合物在2600~3200℃条件下进行石墨化，待物料冷却至室温后再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
优选地，所述原料A为天然球形石墨。
优选地，所述原料B为石油沥焦或针状焦。
优选地，所述原料C为石油沥青、煤沥青、酚醛树脂、环氧树脂或脲醛树脂。
优选地，所述原料D为Ni、Co、Si、SiO中的一种或多种混合物。
本发明的有益效果：
1、本发明以天然石墨和焦炭为骨料进行复合，然后在一定温度下进行改性包覆，可以改善材料的结构及其配向性，有效提高离子传输性能和材料加工性能，而且能改善材料的循环稳定性能；
2、由于普通石油焦、针状焦一般都是各向异性焦，本发明首先将各向异性焦炭用物理方法粉碎到足够小的颗粒，然后通过粒径搭配，以实现粉体原料的结构特征呈现各向同性；通过包覆沥青或树脂进行改性，不仅可以使材料结构致密化，降低材料的比表面积，还能提高材料的首次充放电效率；
3、本发明采用金属或其氧化物进行掺杂，然后石墨化，主要是提高材料的石墨化度，即提高材料的首次放电容量。
综上所述，本发明不仅工艺简单，而且材料性能得到了明显改善，特别是首次放电容量、效率和循环性能得到了明显提高；本发明通过粒子搭配复合改性和金属掺杂技术，提高了粉体结构的各向同性度和粉体材料的石墨化度，为高容量、长寿命型锂离子电池复合石墨负极材料的生产提供了新的思路和方法。
具体实施方式
实施例1
称取天然球形石墨原料A100kg，粉碎成粒径D50=11.234um的微粉，碳含量为99.82%。
称取石油焦原料B50kg，粉碎成粒径D50=9.258um的微粉。
称取石油沥青原料C10kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=2.884μm的微粉。
以一氧化硅微粉为原料D，称取原料D2kg。
先将原料A微粉和原料B微粉进行混合，再加入原料C微粉进行混合，混合时间为60分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为500℃，改性时间为10小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为30分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为3000℃，保温时间为6小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为359.8mAh/g，放电效率为93.8%，经50次循环后容量保持率为97.5%，经100次循环后容量保持率为95.6%，如表1所示。
实施例2
称取天然球形石墨原料A120kg，粉碎成粒径D50=15.234um的微粉，碳含量为99.95%。
称取针状焦原料B80kg，粉碎成粒径D50=9.958um的微粉。
称取石油沥青原料C6kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=3.325μm的微粉。
以一氧化硅微粉为原料D，称取原料D1.8kg。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为120分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为650℃，改性时间为12小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为60分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为3100℃，保温时间为8小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为363.9mAh/g，放电效率为94.4%，经50次循环后容量保持率为97.8%，经100次循环后容量保持率为96.2%，如表1所示。
实施例3
称取天然球形石墨原料A100kg，粉碎成粒径D50=15.361um的微粉，碳含量为98.86%。
称取石油焦原料B50kg，粉碎成粒径D50=8.136um的微粉。
称取石油沥青原料C5kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=3.625μm的微粉。
以金属Ni粉为原料D，称取原料D1.5kg。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为30分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为720℃，改性时间为8小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为60分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为2900℃，保温时间为2小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为349.2mAh/g，放电效率为93.1%，经50次循环后容量保持率为95.4%，经100次循环后容量保持率为93.5%，如表1所示。
实施例4
称取天然球形石墨原料A150kg，粉碎成粒径D50=19.234um的微粉，碳含量为99.92%。
称取石油焦原料B50kg，粉碎成粒径D50=13.476um的微粉。
称取煤沥青原料C8kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=2.385μm的微粉。
以金属Co粉为原料D，称取原料D1kg。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为180分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为450℃，改性时间为12小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为120分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为3000℃，保温时间为2小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为364.5mAh/g，放电效率为93.0%，经50次循环后容量保持率为94.8%，经100次循环后容量保持率为92.7%，如表1所示。
实施例5
称取天然球形石墨原料A100kg，粉碎成粒径D50=18.234um的微粉，碳含量为99.90%。
称取针状焦原料B50kg，粉碎成粒径D50=16.569um的微粉。
称取酚醛树脂原料C8kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=2.546μm的微粉。
以一氧化硅微粉为原料D2.5kg，称取原料D。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为180分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为900℃，改性时间为12小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为90分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为3100℃，保温时间为5小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为362.8mAh/g，放电效率为92.9%，经50次循环后容量保持率为97.9%，经100次循环后容量保持率为96.4%，如表1所示。
实施例6
称取天然球形石墨原料A100kg，粉碎成粒径D50=11.234um的微粉，碳含量为89.75%。
称取石油焦原料B50kg，粉碎成粒径D50=9.258um的微粉。
称取石油沥青原料C5kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=2.884μm的微粉。
以一氧化硅微粉为原料D，称取原料D2kg。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为60分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为500℃，改性时间为10小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为120分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为2600℃，保温时间为2小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为342.7mAh/g，放电效率为94.2%，经50次循环后容量保持率为98.1%，经100次循环后容量保持率为96.5%，如表1所示。
实施例7
称取天然球形石墨原料A120kg，粉碎成粒径D50=15.234um的微粉，碳含量为99.95%。
称取针状焦原料B80kg，粉碎成粒径D50=9.958um的微粉。
称取石油沥青原料C6kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=3.325μm的微粉。
以一氧化硅微粉为原料D，称取原料D1.5kg。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为120分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为600℃，改性时间为10小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为180分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为2850℃，保温时间为5小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为351.6mAh/g，放电效率为93.8%，经50次循环后容量保持率为97.3%，经100次循环后容量保持率为95.8%，如表1所示。
实施例8
称取天然球形石墨原料A100kg，粉碎成粒径D50=15.361um的微粉，碳含量为98.86%。
称取石油焦原料B80kg，粉碎成粒径D50=8.136um的微粉。
称取酚醛树脂原料C6kg，进行气流粉碎，粉碎成粒径D50=3.625μm的微粉。
以金属Ni粉为原料D，称取原料D1.2kg。
先将原料A和B进行混合，再加入原料C进行混合，混合时间为240分钟，然后在反应釜中进行改性，改性温度为800℃，改性时间为9小时；
将改性完后的物料再与原料D进行混合，混合时间为150分钟，待混合完后进行石墨化，石墨化温度为3000℃，保温时间为3小时。
待石墨化后的物料冷却至室温后，再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
将本发明产品进行打浆、涂布等一系列工艺后，然后做成LIR2430型扣式电池，经测试，所得复合石墨负极材料首次放电容量为353.2mAh/g，放电效率为92.7%，经50次循环后容量保持率为95.8%，经100次循环后容量保持率为93.9%，如表1所示。
附表1
扣式电池测试数据汇总表

Claims (6)

1.一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，具体生产工艺为：
（a）以天然石墨为原料A，将原料A粉碎成粒径为5.0~22.0μm的微粉，要求碳含量为≥85.0%；
（b）以石油焦或针状焦为原料B，将原料B粉碎成粒径5.0~18.0μm的微粉；
（c）以沥青或树脂为原料C，将原料C进行气流粉碎，要求粒径≤5μm；
（d）以单种或多种金属微粉或其金属氧化物微粉为原料D；
（e）取上述原料A微粉、原料B微粉、原料C微粉和原料D，先按重量比A/B=100/（25.0~100.0）的比例进行复合；再按重量比（A+B）/C=100/（2~10）的比例进行混合改性；最后按重量比（A+B+C）/D=100/（0.5~3.0）的比例进行混合；
（f）将（e）步骤得到的最后混合物在2600~3200℃条件下进行石墨化，待物料冷却至室温后再进行打散、分级、混合、除磁、筛分，最后得到本发明产品。
2.如权利要求1所述的一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料A为天然球形石墨。
3.如权利要求1所述的一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料B为石油沥焦或针状焦。
4.如权利要求1所述的一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料C为石油沥青、煤沥青、酚醛树脂、环氧树脂或脲醛树脂。
5.如权利要求1所述的一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料D为Ni、Co、Si、SiO中的一种或多种混合物。
6.如权利要求1所述的一种高容量锂离子电池复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述改性工艺采用可控温反应釜，反应釜温度控制区间为350~900℃。
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