CN106058210A - 一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法 - Google Patents

一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，以煤系焦微粉为原料A、以小粒径天然石墨为原料B、以沥青为原料C、以石墨烯为原料D，原料A和原料B按A/B=100/（30‑100）的比例进行混合、融合，然后按（A+B）/C=100/（3‑8）加入原料C，在300~600℃下进行改性，在2800~3200℃下进行石墨化。将微粉；原料C与原料D按C/D=100/（30‑80）的比例进行气流混合；石墨化后的物料与气流混合后的物料，按（A+B+C）/（C+D）=100/（3‑8）的比例进行混合，在1200~1500℃下进行炭化；待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到本发明产品。本发明的优点在于：将天然石墨与煤系焦混合造粒，提高天然石墨原料的循环性能和高低温性能，改善煤系焦的加工性能和容量；加入石墨烯进行包覆，改善材料的导电性能。

Description

一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法
技术领域
本发明涉及一种天然煤焦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
锂离子电池是目前世界上最为理想的可充电电池，是一种理想的绿色电源，它不仅具有能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等特点，而且污染小，符合环保要求。并以卓越的性能得到了迅猛的发展，锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，如大家熟知的手机、笔记本电脑、照相机、摄像机和电动工具等，且越来越多的国家将锂电池应用于电站、动动力汽车、军事等用途。
锂离子电池负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。不同负极材料对锂电池安全性、能量密度、循环寿命的影响不同。目前，已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳（如焦炭等）、硬碳等。负极材料产业集中度极高，表现在区域集中和企业集中。从区域上看，中国和日本是全球主要产销国，总量占全球负极材料产销量95%以上。我国市场受终端市场平稳增长影响，负极材料出货量继续保持增长。石墨负极材料虽已成功商品化，但还有一些难以克服的弱点。近年来对锂离子电池负极材料的实用化研究工作基本上围绕着如何提高质量比容量与体积比容量、首次充放电效率、循环性能及降低成本这几方面展开。
锂离子电池性能的提高也主要归功于炭负极材料性能的大幅度提高，当前煤基炭材料的原料来源丰富、成本低，如果能够研究开发出锂离子电池负极用煤基炭材料，用以代替目前高成本的炭负极材料，必将使锂离子电池的成本迅速下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，提高天然石墨原料的循环性能和高低温性能，改善煤系焦的加工性能和容量，使整体材料具有较高的综合应用性能。
本发明的技术方案：一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，具体生产工艺为：
（a）以煤系焦微粉为原料A，中位粒径在5~10µm；
（b）以小粒径天然石墨为原料B，中位粒径在6~10µm；
（c）以沥青微粉为原料C，最大粒径≤2µm；
（d）以石墨烯为原料D；
（e）将原料A和原料B按重量比A/B=100/（30-100）的比例先混合均匀，然后进行融合；融合后按重量比（A+B）/C=100/（3-8）加入原料C，在300~600℃下进行改性，在2800~3200℃下进行石墨化；
（f）将原料C和原料D按重量比C/D=100/（30-80）的比例进行气流混合；
（g）将（e）步骤得到的物料与（f）步骤得到的物料，按重量比（A+B+C）/（C+D）=100/（3-8）的比例进行混合，混合后在1200~1500℃下进行炭化；
（h）待（g）步骤得到的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，最后得到产品。
优选地，所述原料A为经过焙烧及酸洗处理的低灰分煤系焦。
优选地，所述原料C为石油沥青或煤沥青。
优选地，（e）步骤和（g）步骤中所述混合采用的是双锥混合方式。
优选地，所述气流混合采用气流混合机进行混合。
本发明的有益效果：
1 、本发明采用煤系焦和小颗粒天然石墨作为主原料，使复合材料既发挥了煤系焦优良的循环性能和高低温性能，又综合了天然石墨容量高和加工性能好的优势，同时提高了材料的性价比；
2 、采用石墨烯与纳米级沥青微粉混合进行包覆，其中，石墨烯分布于主材料颗粒表面和颗粒孔隙内，有助于提高材料的导电性能和充放电倍率，沥青的粘结性有助于包覆材料稳固的附着于颗粒上，不易脱落，与此同时纳米级沥青也将包覆在石墨烯表面，防止石墨烯直接与电解液接触，反应膨胀破坏碳层；
3 、利用煤系焦本身较高的挥发分和适量的沥青，将小颗粒进行粘合造粒，可缩短嵌锂路径，大幅度提高材料的加工性能，循环性能和充放电倍率，实现快速充放电；
4、石墨烯和纳米级沥青在主材料石墨化后进行包覆，低温炭化处理，以防止石墨烯氧化程度过高，失去效能。同时沥青在低温炭化处理时会在石墨表面形成一层沥青基，提高与电解液形成SEI膜的均匀和致密性，减少活性点；以及提高材料的压实密度，与电解液的相容性和加工型能；
5、综上所述，本发明通过利用石墨烯和纳米级沥青对材料进行包覆，提高材料的导电性能和倍率性能；将煤系焦与天然石墨进行复合造粒，提高材料的循环性能的同时保证了材料的高容量和良好的加工性；同时该工艺解决了单一材料产品的缺陷，在容量、倍率、循环、加工等各个方面都达到了优良的效果，可应用于动力电池。而且其生产工艺简单，生产效率高，成本低，加工过程安全，可用于工业化生产。
本发明针对各种碳质材料的特性，综合平和各种性能参数进行研究改进，达到较高的使用效果和更广的应用范围，提高材料的嵌锂速率、循环性能、充放电倍率，使实现电池快速充放电的性能。
具体实施方式：
实施例1：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为8µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 30kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C10.4kg，在300~600℃下进行改性，在3000℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 5kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）3kg，进行均匀混合，然后在1300℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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348.6mAh/g，放电效率为94.0%，经50次循环后容量保持率为98.5%，经100次循环后容量保持率为96.6%，如表1所示。
实施例2：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为6µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 50kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C 9kg，在300~600℃下进行改性，在3000℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 8kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）2.5kg，进行均匀混合，然后在1300℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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349.7mAh/g，放电效率为94.4%，经50次循环后容量保持率为98.8%，经100次循环后容量保持率为96.2%，如表1所示。
实施例3：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为7µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 80kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C10.8kg，在300~600℃下进行改性，在2800℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 6kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）4kg，进行均匀混合，然后在1400℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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352.6mAh/g，放电效率为93.4%，经50次循环后容量保持率为97.4%，经100次循环后容量保持率为96.5%，如表1所示。
实施例4：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为10µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 60kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C 6.4kg，在300~600℃下进行改性，在2900℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 7kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）3.5kg，进行均匀混合，然后在1300℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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350.2mAh/g，放电效率为93.7%，经50次循环后容量保持率为98.7%，经100次循环后容量保持率为96.7%，如表1所示。
实施例5：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为8µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 40kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C 7kg，在300~600℃下进行改性，在3100℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 4kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）2kg，进行均匀混合，然后在1200℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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349.0mAh/g，放电效率为93.7%，经50次循环后容量保持率为98.6%，经100次循环后容量保持率为96.4%，如表1所示。
实施例6：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为7µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 70kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C11.9kg，在300~600℃下进行改性，在3000℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 3kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）1.5kg，进行均匀混合，然后在1300℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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351.8mAh/g，放电效率为93.4%，经50次循环后容量保持率为97.1%，经100次循环后容量保持率为95.8%，如表1所示。
实施例7：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为6µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 60kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C9.6kg，在300~600℃下进行改性，在3100℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 5kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）2.5kg，进行均匀混合，然后在1400℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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350.6mAh/g，放电效率为93.5%，经50次循环后容量保持率为98.3%，经100次循环后容量保持率为96.8%，如表1所示。
实施例8：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为8µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 50kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C4.5kg，在300~600℃下进行改性，在3000℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 8kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）3kg，进行均匀混合，然后在1500℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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349.8mAh/g，放电效率为94.0%，经50次循环后容量保持率为98.8%，经100次循环后容量保持率为96.9%，如表1所示。
实施例9：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为7µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 40kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C5.6kg，在300~600℃下进行改性，在3200℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 4kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）2.5kg，进行均匀混合，然后在1300℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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93.8%，经50次循环后容量保持率为97.2%，经100次循环后容量保持率为95.6%，如表1所示。
实施例10：
称取煤系焦原料A 200kg，粉碎成粒径D50为10µm的微粉。
称取沥青原料C 50kg，进行气流粉碎，粉碎粒径≤2µm。
称取粉碎好的原料A 100kg，加入原料B 30kg，在常温状态下进行均匀混合，然后进行融合30分钟，然后加入粉碎后的原料C5.2kg，在300~600℃下进行改性，在2800℃下进行石墨化。
称取粉碎后的原料C 10kg，加入原料D 6kg，进行气流混合。
称取石墨化后的材料（A+B+C）50kg，加入气流混合后的材料（C+D）3kg，进行均匀混合，然后在1300℃下进行炭化。
待炭化后的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，得到产品。
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348.8mAh/g，放电效率为94.2%，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95.7%，如表1所示。

Claims (5)

1.一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，具体生产工艺为：
（a）以煤系焦微粉为原料A，中位粒径在5~10µm；
（b）以天然石墨为原料B，中位粒径在6~10µm；
（c）以沥青微粉为原料C，最大粒径≤2µm；
（d）以石墨烯为原料D；
（e）将原料A和原料B按重量比A/B=100/（30-100）的比例先混合均匀，然后进行融合；融合后按重量比（A+B）/C=100/（3-8）加入原料C，在300~600℃下进行改性，在2800~3200℃下进行石墨化；
（f）将原料C和原料D按重量比C/D=100/（30-80）的比例进行气流混合；
（g）将（e）步骤得到的物料与（f）步骤得到的物料，按重量比（A+B+C）/（C+D）=100/（3-8）的比例进行混合，混合后在1200~1500℃下进行炭化；
（h）待（g）步骤得到的物料冷却至室温后，进行打散、筛分、除杂，最后得到产品。
2.如权利要求1所述的一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料A为经过焙烧及酸洗处理的低灰分煤系焦。
3.如权利要求1所述的一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述原料C为石油沥青或煤沥青。
4.如权利要求1所述的一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：（e）步骤和（g）步骤中所述混合采用的是双锥混合方式。
5.如权利要求1所述的一种天然煤焦复合石墨负极材料生产方法，其特征在于：所述气流混合采用气流混合机进行混合。
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