CN106505184A - 一种多元包覆改性锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种多元包覆改性锂离子电池负极材料及其制备方法。该方法包括步骤：将煅后焦与热固性树脂固相包覆之后在保护气体保护下进行低温碳化，得到碳化后粉体，然后将所述碳化后粉体与高温沥青固相包覆后进行高温石墨化处理，得到多元包覆改性锂离子电池负极材料，其中，所述低温炭化的温度为900～1200℃，保温时间为6～18小时；所述高温石墨化处理的温度为2800～3000℃，保温时间为10～20小时。本发明所提供的多元包覆改性锂离子电池负极材料与现有的负极改性技术相比，提高了材料的首次充放电效率，进一步提高了人造石墨类负极材料比容量、循环、倍率等电性能和负极极板的加工性。

Description

一种多元包覆改性锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种多元包覆改性锂离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
近年来随着汽车产业的快速发展与人民生活水平的逐步提高，我国已经成为世界第一大汽车消费国，汽车保有量的持续增加"已造成了国际油价的快速上涨与我国环境污染的不断加重(这对我国的能源安全与生态环境构成了严峻挑战发展高能量密度锂离子电池实现-以电代油.被认为是解决当前能源危机与环境污染的重要途径之一，锂离子电池作为新型绿色电源已在许多领域得到广泛应用，负极储锂材料更是锂离子电池的关键组成部分。然而，现有的商业化石墨负极材料已达到了性能的极限，不能满足大功率动力电池的要求。而新型的硅、锡基金属氧化物负极产品由于自身的缺陷，一直得不到真正的工业应用。因此石墨类产品目前在锂离子电池作为负极材料仍不可取代，天然石墨理论比容量能达到372mAh/g，但它的不足是可逆容量低，高倍率充放电性能差，在电解质中的稳定性能也较差。而人造石墨比容量更低。因此经过多年大量研究发现，对石墨进行包覆改性处理，提高了石墨类材料的比容量、循环性能和倍率性能，同时也改善了电极的加工性。
迄今为止，大多包覆改性研究工作大都仅限于沥青或树脂单元组分包覆，并没有彻底地来解决好改性包覆石墨的容量、倍率等问题。这样一来，就给该类材料后期的应用带来了诸多不便，同时在包覆时使用液相包覆方法等致使包覆工艺复杂，材料成本居高不下。
中国专利第CN 103626170 A号中所公开的一种改性石墨负极的制备方法，通过将两种以上的包覆材料进行捏合、高温熔化、雾化等工艺复杂，材料制造成本居高不下。
中国专利第CN 105845886 A号中所公开的一种离子电池负极材料及其制备方法，它是以采用单一的水溶性高分子聚合物，进行液相包覆、低温碳化，高温石墨化。使用生焦液相包覆水溶性聚合物，同样存在液相包覆工艺复杂，同时水溶性聚合物在经过石墨化后材料表面包覆的聚合物在低温碳化时形成硬碳，进而在石墨化时形成的纳米微孔造成了该复合材料比表面积过大，进而影响到了该材料的实际应用。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种多元包覆改性锂离子电池负极材料及其制备方法，以提高目前石墨类负极材料放电容量、放电倍率和容量循环衰减的问题。同时，该制备方法不需要任何溶剂，工艺简单，制造成本低。
一种多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
将煅后焦与热固性树脂固相包覆之后在保护气体保护下进行低温碳化，得到碳化后粉体，然后将所述碳化后粉体与高温沥青固相包覆后进行高温石墨化处理，得到多元包覆改性锂离子电池负极材料，其中：
所述低温炭化的温度为900～1200℃，保温时间为6～18小时；
所述高温石墨化处理的温度为2800～3000℃，保温时间为10～20小时。
优选的，所述煅后焦为经过粉碎和球化的煅后石油焦，所述煅后焦的粒径D50为8～14μm，所述煅后焦的比表面积为5～7m2/g。
优选的，所述煅后焦为经过粉碎、球化和提纯后的煅后石油焦，所述煅后焦的硫含量小于等于0.5wt％，所述煅后焦的总灰分含量小于等于0.5wt％。
具体的，所述煅后焦选自针状焦的煅后焦、石油焦的煅后焦或沥青焦的煅后焦中的任意一种或多种的混合。
具体的，所述热固性树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂或脲醛树脂中的任意一种或多种的混合。
具体的，所述高温沥青选自软化点在200℃以上的煤沥青、软化点在200℃以上的石油沥青或软化点在200℃以上的改质沥青中的任意一种或多种的混合。
具体的，所述热固性树脂与所述高温沥青的重量之和与所述多元包覆改性锂离子电池负极材料的重量百分比为5～30％。
具体的，所述保护气体选自氩气、氦气、氖气或氮气中的任意一种或多种的混合。
具体的，所述多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法包括以下步骤：
1)将经过粉碎和球化后的煅后焦与热固性树脂在搅拌式包覆机中进行第一次包覆捏合，得到第一次包覆后的粉体，所述煅后焦与所述热固性树脂的重量比为91：9～99：1，搅拌速度为1500～2500转每分钟，包覆时间为15～45分钟；
2)将步骤1)得到的包覆后的粉体在石墨坩埚中进行低温碳化，得到碳化后的粉体，低温碳化过程中通入保护气体进行保护；
3)将步骤2)得到的碳化后的粉体与高温沥青在搅拌式包覆机中进行第二次包覆捏合，得到第二次包覆后的粉体，所述碳化后的粉体与所述高温沥青的重量比91：9～99：1，搅拌速度为1500～2500转每分钟，包覆时间为15～45分钟；
4)将步骤2)得到的第二次包覆后的粉体进行高温石墨化处理，再经过除磁机除磁，筛分，得到多元包覆改性锂离子电池负极材料。
本发明还提供了根据上述多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法制备得到的多元包覆改性锂离子电池负极材。
本发明所提供的多元包覆改性锂离子电池负极材料与现有的负极改性技术相比，提高了材料的首次充放电效率，进一步提高了人造石墨类负极材料比容量、循环、倍率等电性能和负极极板的加工性，由于使用未石墨化的煅后焦为原料，多元固相包覆后进行石墨化，不使用任何溶剂，对环境友好，大大简化了生产工艺，同时降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明所提供的多元包覆改性锂离子电池负极材料的中倍电镜扫描图片。
图2是本发明所提供的多元包覆改性锂离子电池负极材料的高倍电镜扫描图片。
图3是本发明所提供的多元包覆改性锂离子电池负极材料的中低倍电镜扫描图片。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例使用经过粉碎、球化后的石油煅后焦，粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g，加入粉状含固化剂酚醛树脂(2123#)，粒径为D50＝3um。按照煅后焦：酚醛树脂＝95：5的比例，将以上两种粉体材料分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟，
将包覆均匀后的粉体取出装入石墨坩埚进行低温碳化处理，碳化温度为1100℃，处理时间为12小时，碳化过程中通入氮气进行保护。
将上述经过碳化后的粉体加入粉末状高温沥青，高温沥青软化温度＝250℃，粒径为D50＝5um。按照碳化后粉体：高温沥青＝92：8的比例，分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟。
将上述经过高温沥青包覆后的粉末物经3000℃进行高温石墨化处理，处理时间为18小时。最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该实施例产品，粒径D50＝16.3比表面积＝1.83㎡/g
采用常规锂离子电池负极材料检测方法测出该材料的性能如下：其首次放电容量为357mAh/g，首次充放电效率为93.5％。
实施例2
本实施例使用经过粉碎、球化后的石油煅后焦，粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g，加入粉状含固化剂酚醛树脂(2123#)，粒径为D50＝3um，按照煅后焦：酚醛树脂＝92：8的比例，将以上两种粉体材料分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟，
将包覆均匀后的粉体取出装入石墨坩埚进行低温碳化处理，碳化温度为1100℃，处理时间为12小时，碳化过程中通入氮气进行保护。
再将上述经过碳化后的粉体加入粉末状高温沥青，高温沥青软化温度＝250℃，粒径为D50＝5um。按照碳化后粉体：高温沥青＝95：5的比例，分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟。
将上述经过高温沥青包覆后的粉末物经3000℃进行高温石墨化处理，处理时间为18小时。最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该实施例产品。粒径D50＝16.7比表面积＝3.23㎡/g
采用常规锂离子电池负极材料检测方法测出该材料的性能如下：其首次放电容量为360mAh/g，首次充放电效率为92.2％。
实施例3
本实施例使用经过粉碎、球化后的石油煅后焦，粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g，加入粉状含固化剂酚醛树脂(2123#)，粒径为D50＝3um。按照煅后焦：酚醛树脂＝95：5的比例，将以上两种粉体材料分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟。
将包覆均匀后的粉体取出装入石墨坩埚进行低温碳化处理，碳化温度为1100℃，处理时间为12小时，碳化过程中通入氮气进行保护。
再将上述经过碳化后的粉体加入粉末状高温沥青，高温沥青软化温度＝250℃，粒径为D50＝5um按照碳化后粉体：高温沥青＝95：5的比例，分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟，
将上述经过高温沥青包覆后的粉末物在3000℃进行高温石墨化处理，处理时间为18小时。最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该实施例产品。粒径D50＝17.2比表面积＝1.52㎡/g
采用常规锂离子电池负极材料检测方法测出该材料的性能如下：其首次放电容量为352mAh/g，首次充放电效率为93.8％。
对比例1
将经过粉碎、球化后的石油煅后焦，粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g，加入粉状含固化剂酚醛树脂(2123#)，粒径为D50＝3um，按照煅后焦：酚醛树脂＝88：12的比例，将以上两种粉体材料分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟速度包覆搅拌30分钟。
将上述经过酚醛树脂包覆后的粉末物在3000℃进行高温石墨化处理，处理时间为18小时。最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该对比例产品，粒径D50＝14.5比表面积＝5.32㎡/g
采用常规锂离子电池负极材料检测方法测出该材料的性能如下：其首次放电容量为361mAh/g，首次充放电效率为89.1％。
对比例2
将经过粉碎、球化后的石油煅后焦，粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g，加入粉末状高温沥青，高温沥青软化温度＝250℃，粒径为D50＝5um按照煅后焦粉体：高温沥青＝88：12的比例，分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟速度包覆搅拌30分钟，
将上述经过高温沥青包覆后的粉末物在3000℃进行高温石墨化处理，处理时间为18小时。最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该对比例产品，粒径D50＝15.5比表面积＝1.26㎡/g
采用常规锂离子电池负极材料应用评价检测方法测出该材料的性能如下：其首次放电容量为346mAh/g，首次充放电效率为93.5％。
各实施例及对比例的数据如表1、表2所示。
表1
粒径um 比表面积㎡/g 克比容量mAh/g 首次效率％
实施例1 16.3 1.83 357 93.5
实施例2 16.7 3.23 360 92.2
实施例3 17.2 1.52 352 93.8
对比例1 14.5 5.32 361 89.1
对比例2 15.5 1.26 346 93.5
表2
从各实施例及表格数据对比可以看出，以上3个实施例均表现出较好性能，特别是实施例1，综合方面最优。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将煅后焦与热固性树脂固相包覆之后在保护气体保护下进行低温碳化，得到碳化后粉体，然后将所述碳化后粉体与高温沥青固相包覆后进行高温石墨化处理，得到多元包覆改性锂离子电池负极材料，其中：
所述低温炭化的温度为900～1200℃，保温时间为6～18小时；
所述高温石墨化处理的温度为2800～3000℃，保温时间为10～20小时。
2.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述煅后焦为经过粉碎和球化的煅后石油焦，所述煅后焦的粒径D50为8～14μm，所述煅后焦的比表面积为5～7m2/g。
3.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述煅后焦为经过粉碎、球化和提纯后的煅后石油焦，所述煅后焦的硫含量小于等于0.5wt％，所述煅后焦的总灰分含量小于等于0.5wt％。
4.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述煅后焦选自针状焦的煅后焦、石油焦的煅后焦或沥青焦的煅后焦中的任意一种或多种的混合。
5.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述热固性树脂选自酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂或脲醛树脂中的任意一种或多种的混合。
6.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述高温沥青选自软化点在200℃以上的煤沥青、软化点在200℃以上的石油沥青或软化点在200℃以上的改质沥青中的任意一种或多种的混合。
7.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述热固性树脂与所述高温沥青的重量之和与所述多元包覆改性锂离子电池负极材料的重量百分比为5～30％。
8.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体选自氩气、氦气、氖气或氮气中的任意一种或多种的混合。
9.根据权利要求1所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将经过粉碎和球化后的煅后焦与热固性树脂在搅拌式包覆机中进行第一次包覆捏合，得到第一次包覆后的粉体，所述煅后焦与所述热固性树脂的重量比为91：9～99：1，搅拌速度为1500～2500转每分钟，包覆时间为15～45分钟；
2)将步骤1)得到的包覆后的粉体在石墨坩埚中进行低温碳化，得到碳化后的粉体，低温碳化过程中通入保护气体进行保护；
3)将步骤2)得到的碳化后的粉体与高温沥青在搅拌式包覆机中进行第二次包覆捏合，得到第二次包覆后的粉体，所述碳化后的粉体与所述高温沥青的重量比91：9～99：1，搅拌速度为1500～2500转每分钟，包覆时间为15～45分钟；
4)将步骤2)得到的第二次包覆后的粉体进行高温石墨化处理，再经过除磁机除磁，筛分，得到多元包覆改性锂离子电池负极材料。
10.一种根据权利要求1至9任一所述的多元包覆改性锂离子电池负极材料的制备方法制备得到的多元包覆改性锂离子电池负极材料。
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