CN105428615A - 一种改性人造石墨负极材料生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改性人造石墨负极材料生产方法，采用石油焦粉碎后的粉料为主要原料并进行整形处理，整形后的石油焦材料加入一定比例的石油沥青，然后采用挤压融合的方式进行二次造粒处理，将造粒后的物料加入石油沥青与煤沥青或煤焦油的混合物，进行包覆改性处理，采用散装方式将物料放入石墨化炉中进行高温石墨化处理，或者先进行炭化再进行石墨化处理，待物料冷却至室温后进行打散、分级处理，最后加入少量碳纳米管进行混合、筛分。本发明的优点在于：主要原料为石油焦粉碎粉料，将粉料回收利用，可节省成本；小颗粒二次造粒可提高材料的容量和循环性能；采用石墨板装料方式可提高材料的石墨化度，即提高容量，同时降低能耗成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性人造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
锂离子电池的发展源于上世纪90年代，至今有20年左右，在过去的20年是锂电行业的一次飞跃，随着各国对环境、新能源的重视，锂离子电池会更有突飞猛进的发展。锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。石墨由于具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，成为目前主流的商业化锂离子电池负极材料。在应用方面，石墨类负极材料仍占据主导地位，对石墨类碳负极材料进行改性，增加与电解液的相容性、减少不可逆容量，增加倍率性能还是目前应用研究的一个热点。
由于石墨层间距小于石墨嵌锂化合物的晶面层间距，致使在充放电过程中，石墨层间距改变，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生锂离子与有机溶剂分子共同嵌入石墨层及有机溶剂分解，进而影响电池循环性能。本发明通过对人造石墨的结构改造和表面改性，可以改善材料的嵌锂性能，减少活性点，较好的形成SEI膜。锂离子进出有一定的方向选择性，而由多个人造石墨微粒构成的材料具有更好的结构稳定性，同时具有更高的各向同性特征，这种特征一定程度上增强了极片的压缩密度，提高了与电解液的浸润性，减少了极片的膨胀，对电池的整体寿命的提高有积极的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种改性人造石墨负极材料生产方法，利用微粉造粒的方式改变材料结构，提高材料的循环性能。
本发明的技术方案：一种改性人造石墨负极材料生产方法，具体生产工艺为：
（a）石油焦粉碎后的粉料为原料A，中位粒径在5~7μm；
（b）以石油沥青为原料B；
（c）以煤沥青为原料C；
（d）以煤焦油为原料D；
（e）以碳纳米管为原料E；
（f）将原料B进行气流粉碎，粉碎粒度＜2μm；将原料C进行气流粉碎，粉碎粒度＜2μm；
（g）将原料A进行整形处理25-35min，使之形貌成为球型；然后按重量比A/B=100/3~6的比例加入原料B进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，使小颗凝聚成大颗粒，大颗粒的中位粒径在15~20μm；
（h）将（g）步骤得到的物料，按重量比（A+B）/C/D=100/1~3/0.5~2的比例加入原料C和D，在300~600℃的温度下进行改性处理；
（i）将（h）步骤得到的物料采用散装方式放入电阻式石墨化炉中，在2500~3000℃下进行低温石墨化处理；或者先在1200~1400℃下进行炭化，然后在2500~3000℃进行石墨化处理；
（j）待（i）步骤的物料冷却至室温后，进行打散、分级处理，然后按重量比（A+B+C+D）/E=100/0.5~1的比例加入原料E进行混合、筛分处理，最终得到产品。
石油焦经粉碎机粉碎时，产出物料分为：一口料（正常半成品，中粒径为10-20um）、二口料（中粉粉料,中粒径为5-9um）、三口料（微粉粉料，中粒径＜5um），所述原料A即采用中粒径为5-7um的二口料。
优选地，所述原料B为中温沥青或高温沥青。
优选地，所述混合采用双螺旋锥形混合机。
优选地，所述气流粉碎采用气流粉碎机。
优选地，所述电阻式石墨化炉采用的加热方式为石墨板的电传导性加热。
本发明的有益效果：
1、本发明直接采用质软、易燃、易氧化的负极材料（石油焦）生产粉碎过程的副产物（小粒径微粉）为原料，将粉料回收利用，因此可大大节省成本；
2、利用石油沥青作为粘合剂，将小颗粒进行二次造粒处理，可改变颗粒的结构，提高材料的容量和循环性能，同时石油沥青充当了包覆剂的作用，减少活性点，有利于形成SEI膜，改善石墨层脱落现象；
3、加入煤沥青和煤焦油进行包覆改性，在表面改性的同时可加强颗粒的稳固性，用煤沥青可降低成本；
4、加入碳纳米管可以显著提高材料的循环性能，同时弥补石油沥青和煤沥青对材料容量方面造成的影响；
5、因为材料在一定温度范围内，石墨化温度越低，其循环性能越好，所以材料在2500~3000℃下进行低温石墨化处理，可以保证材料的高循环性能，而且升温温度低，可大幅度降低生产的能源费用，节省成本；
6、采用电传导加热方式的石墨化炉进行石墨化，及石墨板的方式装炉，一方面可以提高石墨化装炉量，即提高产能；另一方面可以节省电能消耗，同时保证材料的石墨化度。
综上所述，本发明将石油焦粉碎过程的粉料通过加压融合的方式进行二次造粒处理，并加入多种添加剂进行固/液相复合造粒、改性处理，提高了人造石墨材料的容量、循环寿命和应用性能，而且其原料节省成本，生产工艺简单，生产效率高，加工过程安全，可用于工业化生产。
具体实施方式：
实施例1：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B3.2kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为18μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C0.5kg，加入煤焦油原料D0.5kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入石墨化炉中，在2600℃下进行石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E50g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为347.2mAh/g，放电效率为94.8%，如表1所示。
实施例2：
称取石油沥青B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B4.0kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为15μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.0kg，加入煤焦油原料D0.5kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在3000℃下进行低温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E80g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为349.8mAh/g，放电效率为95.0%，如表1所示。
实施例3：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B2.4kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为16μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.5kg，加入煤焦油原料D0.5kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入石墨化炉中，在1400℃下进行炭化处理，在3000℃下进行石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E100g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为353.2mAh/g，放电效率为95.0%，如表1所示。
实施例4：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B4.8kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为18μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.5kg，加入煤焦油原料D0.25kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在3000℃下进行高温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E60g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为350.9mAh/g，放电效率为94.9%，如表1所示。
实施例5：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B4.0kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为19μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.0kg，加入煤焦油原料D1.0kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在3000℃下进行高温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E80g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为351.8mAh/g，放电效率为95.1%，如表1所示。
实施例6：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B3.2kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为20μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C0.5kg，加入煤焦油原料D1.0kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在1300℃下进行炭化处理，在3000℃下进行低温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E100g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为348.6mAh/g，放电效率为94.3%，如表1所示。
实施例7：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B2.4kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为17μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.5kg，加入煤焦油原料D0.5kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在1400℃下进行炭化处理，在3000℃下进行高温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E50g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为351.9mAh/g，放电效率为94.6%，如表1所示。
实施例8：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B4.8kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为18μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.0kg，加入煤焦油原料D0.25kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在3000℃下进行低温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E100g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为345.7mAh/g，放电效率为94.6%，如表1所示。
实施例9：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B3.2kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为19μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C1.5kg，加入煤焦油原料D1.0kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在3000℃下进行高温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E100g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为350.6mAh/g，放电效率为95.1%，如表1所示。
实施例10：
称取石油沥青原料B50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm；称取煤沥青原料C50kg，进行气流粉碎，粉碎粒度≤2μm。
称取石油焦粉料原料A100kg，进行整形处理30min。
称取整形后的石油焦原料A80kg，加入石油沥青微粉B4.8kg，进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，中位粒径为17μm。
称取造粒后的物料50kg，加入煤沥青微粉原料C0.5kg，加入煤焦油原料D0.25kg，在300~600℃的温度下进行改性处理。然后放入电阻式石墨化炉中，在1200℃下进行炭化处理，在3000℃下进行高温石墨化处理。
待物料冷却至室温后，取出进行打散、分级处理，称取分级后的物料10kg，加入碳纳米管E80g，进行混合、筛分处理，得到产品。
用LIR2430型扣式电池做试验，所得负极材料放电容量为351.2mAh/g，放电效率为94.7%，如表1所示。
附表1
扣式电池测试数据汇总表
Claims (5)
1.一种改性人造石墨负极材料生产方法，其特征在于具体生产工艺为：
（a）石油焦粉碎后的粉料为原料A；
（b）以石油沥青为原料B；
（c）以煤沥青为原料C；
（d）以煤焦油为原料D；
（e）以碳纳米管为原料E；
（f）将原料B进行气流粉碎，粉碎粒度＜2μm；将原料C进行气流粉碎，粉碎粒度＜2μm；
（g）将原料A进行整形处理25-35min，使之形貌成为球型；然后按重量比A/B=100/3~6的比例加入原料B进行气流混合，混合均匀后采用挤压融合的方式进行二次造粒，使小颗凝聚成大颗粒，大颗粒的中位粒径在15~20μm；
（h）将（g）步骤得到的物料，按重量比（A+B）/C/D=100/1~3/0.5~2的比例加入原料C和D，在300~600℃的温度下进行改性处理；
（i）将（h）步骤得到的物料采用散装方式放入电阻式石墨化炉中，在2500~3000℃下进行低温石墨化处理；或者先在1200~1400℃下进行炭化，然后在2500~3000℃进行石墨化处理；
（j）待（i）步骤的物料冷却至室温后，进行打散、分级处理，然后按重量比（A+B+C+D）/E=100/0.5~1的比例加入原料E进行混合、筛分处理，最终得到产品。
2.如权利要求1所述的一种改性人造石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料B为中温沥青或高温沥青。
3.如权利要求1所述的一种改性人造石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述混合采用双螺旋锥形混合机。
4.如权利要求1所述的一种改性人造石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述气流粉碎采用气流粉碎机。
5.如权利要求1所述的一种改性人造石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述电阻式石墨化炉采用的加热方式为石墨板的电传导性加热。
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