CN106784691A - 电动车专用锂电池电极材料及其制备方法 - Google Patents

电动车专用锂电池电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种电动车专用锂电池电极材料，所述电极材料由以下重量份的原料组成：石墨18‑20份，铂金粉0.5‑0.8份，碳化硅0.3‑0.7份，钛白粉0.3‑0.6份，氧化锆0.7‑1.0份，碳化钨粉0.9‑1.2份，二氧化硅0.4‑0.6份，乙炔黑1.2‑1.5份。本发明所提供的电动车专用锂电池电极材料及其制备方法，具有工艺简单、成本低廉、产量高、性能好等优点，具有广阔的应用前景。通过该方法获得的碳材质电极材料不仅具有高的导电率和比容量，并且循环性能获得大幅提高，其特殊的复合结构更赋予其更多更新更好的性能。

Description

电动车专用锂电池电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电动车专用锂电池电极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是新一代的绿色高能电池，具有重量轻、体积比能量高、工作电压高、无环境污染等优点，是现代通讯、IT和便携式电子产品(如移动电话、笔记本电脑、摄像机等)的理想化学电源，也是电动车优选的动力电源，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。
电极材料是锂离子电池的关键材料之一，而碳质材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电极的材料，至今仍受到广泛关注。碳质材料主要具有以下优点：比容量高(200～400mAh/g)，电极电位低(<1.0V vs Li+/Li)，循环效率高(>95％)，循环寿命长，成本较低。
目前研究较多的碳质负极材料有人造石墨、天然石墨、中间相炭微球(MCMB)、高比容量碳化物、石油焦、热解树脂碳、纳米碳材料等。这些碳质材料都有各自的优缺点，如：
石墨具有良好的层状结构，具有良好的电压平台。但石墨对电解液非常敏感，与溶剂相容性差；此外，石墨的大电流充放电能力低。同时，在充放电循环过程中，石墨层间距变化较大；而且还会发生锂与有机溶剂共同插入石墨层间以及有机溶剂的进一步分解，容易造成石墨层逐步剥落、石墨颗粒发生崩裂和粉化，从而降低石墨材料寿命。表面氧化、碳包覆、表面沉积金属或金属氧化物等方法可有效的改善石墨与电解液相容性差的问题，碳基材料的球形化也能改善材料的大电流充放电性能。
中间相炭微球(MCMB)的嵌锂容量比较大。其表面光滑，比表面积较小，可以减少在充放电过程中电极边界反应的发生，从而降低第一次充电过程中的容量损失；另外，小球具有片层状的结构，有利于锂离子从球的各个方向嵌入和脱嵌，解决了石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片溶涨、塌陷和不能快速大电流放电的问题。它存在的主要问题是比容量不高，热处理温度高使得其制作成本高。高比容量碳化物具有很高的嵌锂容量，同时其热处理温度比传统石墨结构的碳要低很多，一般均低于1000℃，因此引起了人们的关注。但是部分裂解的炭化物存在电极电位过高、电压滞后(即嵌锂电位小于脱锂电位)以及首次循环不可逆容量大等缺点，目前尚未工业化应用。
石油焦具有非结晶结构，呈涡轮层状，含有一定量的杂质，难以制备高纯碳，但资源丰富，价格低廉。石油焦的最大理论化学嵌锂容量为LiC12，电化学比容量为186mAh/g。但石油焦本身作为电池负极材料的性能很差，这主要是由于插锂时，碳质材料会发生体积膨胀，降低电池寿命。
纳米碳质材料由于具有独特的纳米微观结构及形貌，可望更加有效地提高材料的可逆嵌锂容量和循环寿命，从而成为新一代高性能化学电源的崭新材料。纳米碳质材料主要由于管径(或晶粒)为纳米级尺寸，管与管(或晶粒与晶粒)之间相互交错的缝隙也是纳米数量级，使其具有优越的嵌锂特性，锂离子不仅可嵌入到管内各管径间、管芯(如碳纳米管)，而且可嵌入到管间(或晶粒间)的缝隙之中，为锂离子提供了大量的嵌入空间位置，从而有利于提高锂离子电池的充放电容量、循环寿命及电流密度。由于纳米碳质材料具有传统碳质材料无法比拟的高比容量，已成为新一代锂离子电池负极材料的研究重点。但纳米碳质材料作为锂离子电池的负极活性物质时，存在电压滞后现象和较大的不可逆容量损失，此外，其充放电电位平台不是很明显。
但是这些碳质材料都存在着与电解液的相容性差、较大的不可逆容量损失、高倍率放电性能差、以及高温下容易出现安全隐患等问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种电动车专用锂电池电极材料及其制备方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种电动车专用锂电池电极材料及其制备方法，所述电极材料由以下重量份的原料组成：
石墨18-20份，铂金粉0.5-0.8份，碳化硅0.3-0.7份，钛白粉0.3-0.6份，氧化锆0.7-1.0份，碳化钨粉0.9-1.2份，二氧化硅0.4-0.6份，乙炔黑1.2-1.5份。
所述石墨是天然鳞片墨、微晶石墨、人造石墨或中间相炭微球。
所述石墨颗粒平均粒径为25～30um。
一种电动车专用锂电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述原料混合均匀并加入到高速粉碎机内，在1000至1200rpm的转速下粉碎30至40分钟得到混合粉料；
(2)将混合粉料加入到低速冲击式球化粉碎机内，在800至1000rpm的转速下整形和球形化30至60分钟，得到球形石墨；
(3)利用氧化剂对将球形石墨进行纯化处理；
(4)将纯化处理后的物料制成氧化石墨水溶液，超声处理后得到不同二维尺度的氧化石墨水溶液；
(5)将步骤(4)得到的不同二维尺度的氧化石墨水溶液按比例混合，超声分散均匀后得到具有分散尺度的复合氧化石墨水溶液，然后通过还原法得到具有分散尺度的石墨水溶液，再经干燥处理后得到具有分散尺度的复合石墨；
(6)将干燥后的复合石墨在浓度0.1M至0.5M的掺杂多价态过渡金属盐溶液中浸渍36至48小时，反应温度60至80℃，然后过滤、脱水烘干；
(7)将上述处理后的复合石墨与5～10％的有机物混合包覆形成包覆石墨；
(8)将包覆石墨进行碳化处理或石墨化处理，在保护气氛中加热600至700℃，保温4至5小时，然后降至室温。
所述步骤(3)中纯化处理采用的氧化剂是双氧水、过氧乙酸、二氧化氯、氯气、氢氧化钠、浓硫酸、硝酸、浓盐酸、高氯酸、其中任意两种或三种氧化剂的混合物。
所述步骤(6)中掺杂多价态过渡金属元素为Ag、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、V、Mo或Sn，盐溶液采用硝酸盐，碳酸盐，硫酸盐、盐酸盐或含有掺杂元素的络盐溶液。
所述步骤(7)中的有机物混合包覆采用的包覆材料为水溶性的聚乙烯醇、丁苯橡胶乳SBR、羧甲基纤维素CMC、有机溶剂系的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈。
本发明的有益效果为：本发明所提供的电动车专用锂电池电极材料及其制备方法，具有工艺简单、成本低廉、产量高、性能好等优点，具有广阔的应用前景。通过该方法获得的碳材质电极材料不仅具有高的导电率和比容量，并且循环性能获得大幅提高，其特殊的复合结构更赋予其更多更新更好的性能。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
一种电动车专用锂电池电极材料及其制备方法，所述电极材料由以下重量份的原料组成。
石墨18份，铂金粉0.5份，碳化硅0.3份，钛白粉0.3份，氧化锆0.7份，碳化钨粉0.9份，二氧化硅0.4份，乙炔黑1.2份。
实施例2
一种电动车专用锂电池电极材料及其制备方法，所述电极材料由以下重量份的原料组成。
石墨19份，铂金粉0.6份，碳化硅0.5份，钛白粉0.4份，氧化锆0.8份，碳化钨粉1.0份，二氧化硅0.5份，乙炔黑1.3份。
实施例3
一种电动车专用锂电池电极材料及其制备方法，所述电极材料由以下重量份的原料组成。
石墨20份，铂金粉0.8份，碳化硅0.7份，钛白粉0.6份，氧化锆1.0份，碳化钨粉1.2份，二氧化硅0.6份，乙炔黑1.5份。
所述石墨是天然鳞片墨、微晶石墨、人造石墨或中间相炭微球。
所述石墨颗粒平均粒径为25～30um。
一种电动车专用锂电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述原料混合均匀并加入到高速粉碎机内，在1000至1200rpm的转速下粉碎30至40分钟得到混合粉料；
(2)将混合粉料加入到低速冲击式球化粉碎机内，在800至1000rpm的转速下整形和球形化30至60分钟，得到球形石墨；
(3)利用氧化剂对将球形石墨进行纯化处理；
(4)将纯化处理后的物料制成氧化石墨水溶液，超声处理后得到不同二维尺度的氧化石墨水溶液；
(5)将步骤(4)得到的不同二维尺度的氧化石墨水溶液按比例混合，超声分散均匀后得到具有分散尺度的复合氧化石墨水溶液，然后通过还原法得到具有分散尺度的石墨水溶液，再经干燥处理后得到具有分散尺度的复合石墨；
(6)将干燥后的复合石墨在浓度0.1M至0.5M的掺杂多价态过渡金属盐溶液中浸渍36至48小时，反应温度60至80℃，然后过滤、脱水烘干；
(7)将上述处理后的复合石墨与5～10％的有机物混合包覆形成包覆石墨；
(8)将包覆石墨进行碳化处理或石墨化处理，在保护气氛中加热600至700℃，保温4至5小时，然后降至室温。
所述步骤(3)中纯化处理采用的氧化剂是双氧水、过氧乙酸、二氧化氯、氯气、氢氧化钠、浓硫酸、硝酸、浓盐酸、高氯酸、其中任意两种或三种氧化剂的混合物。
所述步骤(6)中掺杂多价态过渡金属元素为Ag、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、V、Mo或Sn，盐溶液采用硝酸盐，碳酸盐，硫酸盐、盐酸盐或含有掺杂元素的络盐溶液。
所述步骤(7)中的有机物混合包覆采用的包覆材料为水溶性的聚乙烯醇、丁苯橡胶乳SBR、羧甲基纤维素CMC、有机溶剂系的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种电动车专用锂电池电极材料，其特征在于，所述电极材料由以下重量份的原料组成：
石墨18-20份，铂金粉0.5-0.8份，碳化硅0.3-0.7份，钛白粉0.3-0.6份，氧化锆0.7-1.0份，碳化钨粉0.9-1.2份，二氧化硅0.4-0.6份，乙炔黑1.2-1.5份。
2.如权利要求1所述的电动车专用锂电池电极材料，其特征在于，所述石墨是天然鳞片墨、微晶石墨、人造石墨或中间相炭微球。
3.如权利要求1或2所述的电动车专用锂电池电极材料，其特征在于，所述石墨颗粒平均粒径为25～30um。
4.一种电动车专用锂电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述原料混合均匀并加入到高速粉碎机内，在1000至1200rpm的转速下粉碎30至40分钟得到混合粉料；
(2)将混合粉料加入到低速冲击式球化粉碎机内，在800至1000rpm的转速下整形和球形化30至60分钟，得到球形石墨；
(3)利用氧化剂对将球形石墨进行纯化处理；
(4)将纯化处理后的物料制成氧化石墨水溶液，超声处理后得到不同二维尺度的氧化石墨水溶液；
(5)将步骤(4)得到的不同二维尺度的氧化石墨水溶液按比例混合，超声分散均匀后得到具有分散尺度的复合氧化石墨水溶液，然后通过还原法得到具有分散尺度的石墨水溶液，再经干燥处理后得到具有分散尺度的复合石墨；
(6)将干燥后的复合石墨在浓度0.1M至0.5M的掺杂多价态过渡金属盐溶液中浸渍36至48小时，反应温度60至80℃，然后过滤、脱水烘干；
(7)将上述处理后的复合石墨与5～10％的有机物混合包覆形成包覆石墨；
(8)将包覆石墨进行碳化处理或石墨化处理，在保护气氛中加热600至700℃，保温4至5小时，然后降至室温。
5.如权利要求4所述的电动车专用锂电池电极材料制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中纯化处理采用的氧化剂是双氧水、过氧乙酸、二氧化氯、氯气、氢氧化钠、浓硫酸、硝酸、浓盐酸、高氯酸、其中任意两种或三种氧化剂的混合物。
6.如权利要求4所述的电动车专用锂电池电极材料制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中掺杂多价态过渡金属元素为Ag、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、V、Mo或Sn，盐溶液采用硝酸盐，碳酸盐，硫酸盐、盐酸盐或含有掺杂元素的络盐溶液。
7.如权利要求4所述的电动车专用锂电池电极材料制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中的有机物混合包覆采用的包覆材料为水溶性的聚乙烯醇、丁苯橡胶乳SBR、羧甲基纤维素CMC、有机溶剂系的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈。
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