CN107200322B - 一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其包括如下步骤：S1.将特种石墨尾料颗粒进行球形化处理，然后加入粘结剂并混合均匀得预混料；S2.将氧化石墨烯在溶剂中超声分散得悬浮分散液，静置后，取上层稳定分散液均匀喷混入S1中的预混料中得混合料；S3.将S2中的混合料压型得压块，氮气与氢气的混合气氛下对压块进行焙烧处理，冷却至室温后，压块依次经破碎、除磁和筛分工序，即得。本发明的有益效果为：以特种石墨尾料为主要原料，成功制备出了锂电池负极材料，大幅度提高了特种石墨尾料的附加值；在使用时不需要再额外添加导电剂；具有工艺路线简单、生产成本低廉、环保及易于工业化生产等特点。

Description

一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体涉及一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法。
背景技术
锂离子电池是目前世界上最为理想也是技术最高的可充电化学电池，与其它电池相比，锂离子电池各项性能更为出色，具有体积小、电容量大、电压高等优点。即使现在出现了硅碳、锡碳等新型负极材料，但商业化的锂离子电池负极材料仍以炭材料为主，主要有天然石墨和人造石墨两种。由于动力电池市场的蓬勃发展，人造石墨因其优异的循环性能占据了较大的市场份额。
特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度的石墨制品，又称三高石墨。该行业的一次制品多为石墨块或棒体材料，需要进行机械加工得到特定行业所需的模具、器件等。在利用加工机械切削、钻孔、抛光打磨过程中，大量的加工边角料和加工粉尘产生。对于较大的边角料，部分公司可能进行二次加工成较小的器件以提高原料利用率，但仍会不可避免地产生大量不便加工的边角余料只能视为废品。另外，由于车间作业环境和环保要求，一般工厂都会利用负压抽吸方式将加工过程中的粉尘直接收集至除尘袋，收集过程无外来杂质引入。由于特种石墨生产的工艺特点，这两种来源(块体边角余料/加工粉尘)的尾料，都具有高石墨化度和大的微晶尺寸的特征，表明了其中炭的微晶结构发育较为完善，且灰份极低，这二个主要指标决定了其可以满足负极材料的性能要求。目前该尾料主要用途为增碳剂等，经济价值较低。但若直接将该类尾料破碎、筛分、分级后用作负极材料，则存在容量较低、首次效率较低的明显缺点，只能面对低端市场，不但经济价值较低，而且制约了资源的合理化利用。
发明内容
本发明提供一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，目的为以特种石墨尾料为主要原料，提供一种工艺简单、成本低廉、质量可靠而且适合规模化生产的锂电池用负极材料的方法，对特种石墨尾料进行有效的循环利用并提升其经济价值。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其包括如下步骤：
S1.将特种石墨尾料颗粒进行球形化处理，然后加入粘结剂并混合均匀得预混料；
S2.将氧化石墨烯在溶剂中超声分散得悬浮分散液，静置后，取上层稳定分散液均匀喷混入S1中的预混料中得混合料，所述的上层稳定分散液可认为是氧化石墨烯的溶液；
S3.将S2中的混合料压型得压块，氮气与氢气的混合气氛下对压块进行焙烧处理，冷却至室温后，压块依次经破碎、除磁和筛分，即得锂电池用负极材料。
特种石墨尾料是指利用加工机械切削、钻孔、抛光打磨特种石墨的过程中产生的边角余料和加工粉尘，特种石墨尾料颗粒包括上述边角余料(较大的边角余料需破碎处理成颗粒)和加工粉尘。
可以理解的是，S1中预混料的制备和S2中悬浮分散液的制备并无先后顺序，也可以先配制S2的悬浮分散液并静置后取上层稳定分散液备用，然后再制备S1的预混料。
上述方案中混合时用到的设备可以为锥形搅拌器、对辊轧片机、犁刀混合机等常规设备。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的具体选择。
具体的，S1中特种石墨尾料颗粒的中位粒径在2mm以下，其球形化处理后的中位粒径在15μm以下。中位粒径(D50)是指累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径值，它的物理意义为粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％。
具体的，S1中预混料由球形化处理后的特种石墨尾料颗粒和粘结剂按照70-98：2-30的质量比混合而成。
具体的，S1中粘结剂为沥青、热固性树脂或热塑性树脂。
具体的，所述沥青的软化点为30-320℃，所述沥青为石油沥青、煤沥青、改质沥青、中温沥青、高温沥青和中间相沥青中的一种或两种以上的混合。以上所述沥青种类均为本领域技术人员所熟知，指代均是明确的。
具体的，S2中溶剂为N-甲基吡咯烷酮、丙酮、去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上的混合，
具体的，S2中所述悬浮分散液中氧化石墨烯与溶剂的质量比为1：1000-10000。
具体的，S2中预混料与用于对其进行均匀喷混的上层稳定分散液的体积比为10-100：1。
具体的，S3中的压型为模压成型和冷等静压成型中的一种或两种的组合，成型压力为40-80MPa。
具体的，S3中焙烧处理的具体要求为升温至700-1100℃并保温1-2h，S3中氮气及氢气的混合气氛的气压为0.1-1Mpa，其中氢气的体积分数为0.1-0.5％。高温及一定的还原性氛围均能使氧化石墨烯还原为石墨烯，以增强导电能力。石墨烯具有优良的导电性，但其对分散要求非常高，直接将其与其它物料进行机械混合，通常难以满足要求。
本发明的有益效果是：
1)以特种石墨尾料为主要原料，适当添加粘结剂并喷混入氧化石墨烯悬浮液静置后的上层稳定分散液，再经压型、焙烧、去磁、破碎和筛分等步骤成功制备出了可用于锂电池负极的石墨粉料，大幅度提高了特种石墨尾料的附加值，实现了对资源的合理利用，具有极大的商业价值；
2)本发明提供的方法制备出的锂电池用负极材料因为主要成份为特种石墨尾料，其具有高石墨化度和大微晶尺寸的特点，故该负极材料在使用时不需要再额外添加导电剂就可以保证很高的可逆容量和库仑效率，故本发明提供的方法制备的负极材料是一种高品质的锂电池负极材料；
3)本发明提供的制备方法具有工艺路线简单、生产成本低廉、环保及易于工业化生产等特点。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实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
一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其包括如下步骤：将20克氧化石墨烯加入20千克丙酮中超声分散30分钟，静置12小时后取上层稳定分散液备用；将92千克特种石墨加工边角料破碎至D50为2mm粒径后进入球形化整形机，球形化处理至D50为9μm，加入8千克沥青粉(其中：5千克为改质沥青，软化点为112℃，D99为9μm；3千克为高温沥青，软化点为230℃，D99为5μm)，在锥形搅拌器中混合均匀后得预混料，然后在搅拌下喷入上述备用的上层稳定分散液并混合均匀得到混合料，上层稳定分散液与预混料的用量比为1：100；取该混合料置入方形模具中在40MPa下成形，然后在氮气及氢气混合氛围下(气压0.1MPa，氢气0.1vol％)升温至1100℃并保温1小时；冷却至室温后将压块破碎、除磁并筛分至D50为15μm，得成品粉料，即为所述锂电池用负极材料。
为检测本发明锂离子电池负极材料的性能，采用全电池测试：用本发明的成品粉料制备负极，配料重量比为粘结剂：粉体材料为12：88，磷酸铁锂作正极，电解液为1MLiPF6-EC/DEC/DMC(1：1：1)，聚丙烯微孔膜为隔膜，组装成成品电池，以0.5C的倍率进行充放电试验，充放电电压限制在4.2～3.0V，测试电池的性能，测试结果见表1。
实施例2
一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其包括如下步骤：将20克氧化石墨烯加入150千克去离子水中超声分散30分钟，静置12小时后取上层稳定分散液备用；将92千克特种石墨加工边角料破碎至D50为2mm粒径后进入球形化整形机，球形化处理至D50为9μm，加入8千克沥青粉(其中：5千克为改质沥青，软化点为112℃，D99为9μm；3千克为高温沥青，软化点为230℃，D99为5μm)，在锥形搅拌器中混合均匀后得预混料，然后在搅拌下喷入上述备用的上层稳定分散液并混合均匀得到混合料，上层稳定分散液与预混料的用量比为1：10；取该混合料置入方形模具中在80MPa下成形，然后在氮气及氢气混合氛围下(气压1MPa，氢气0.5vol％)升温至700℃并保温2小时；冷却至室温后将压块破碎、除磁并筛分至D50为15μm，得成品粉料，即为所述锂电池用负极材料。检测方法与实施例1一样，结果见表1。
实施例3
一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其包括如下步骤：将25克氧化石墨烯加入25千克异丙醇中超声分散30分钟，静置12小时后取上层稳定分散液备用；将90千克特种石墨加工过程中真空收集所得粉料加入球形化整形机，球形化处理至D50为6μm，加入10千克沥青粉(其中：5千克为改质沥青，软化点为112℃，D99为9μm；3千克为高温沥青，软化点为230℃，D99为5μm；2千克中间相沥青粉，软化点为280℃，D99为5μm)，在锥形搅拌器中混合均匀后得预混料，然后在搅拌下喷入上述备用的上层稳定分散液并混合均匀得到混合料，上层稳定分散液与预混料的用量比为1：50；取该混合料置入方形模具中在50MPa下成形，然后在氮气及氢气混合氛围下(气压0.5MPa，氢气0.2vol％)升温至950℃并保温时间为1小时；冷却至室温后将压块破碎、除磁并筛分至D50为12μm，得成品粉料，即为所述锂电池用负极材料。检测方法与实施例1一样，结果见表1。
对比例1
将90千克特种石墨加工过程中真空收集所得粉料加入球形化整形机，球形化并破碎至D50为6μm，加入10千克沥青粉(其中：5千克为改质沥青，软化点为112℃，D99为9μm；3千克为高温沥青，软化点为230℃，D99为5μm；2千克中间相沥青粉，软化点为280℃，D99为5μm)，在锥形搅拌器中混合均匀后得预混料，然后在搅拌下喷入上述备用的上层稳定分散液并混合均匀得到混合料，上层稳定分散液与预混料的用量比为1：50；取该混合料置入方形模具中在50MPa下成形，然后在氮气及氢气混合氛围下(气压0.5MPa，氢气0.2vol％)升温至950℃并保温时间为1小时；冷却至室温后将压块破碎、除磁并筛分至D50为12μm，得成品粉料，即为所述锂电池用负极材料。与实施例3相比，仅减小了氧化石墨烯悬浮液配制及喷混环节，材料中无氧化石墨烯添加。检测方法与实施例1一样，检测结果见表1。
对比例2
对比例2与对比例1制备锂电池用负极池料的方法完全一致，不同点在于进行性能检测时，修改负极材料物料重量配比，具体为粘结剂：导电剂：粉体材料为12：5：83，其它条件保持不变，检测结果见表1。
对比例3
将100千克特种石墨加工边角料破碎至D50为2mm粒径后进入球形化整形机，球形化处理并除磁、筛分至D50为9μm，略去后续处理环节。与实施例1相比，材料为特种石墨边角料仅经物理加工的产品。检测方法与实施例1相比，修改负极材料物料重量配比，具体为粘结剂：导电剂：粉体材料为12：5：83，其它条件保持不变，检测结果见表1。
表1.实施例及对比例获得的负极材料对应的锂电池的性能数据
由上表可见，本发明以特种石墨尾料制备的锂电池用负极材料是一种品质较高的负极材料，其首次可逆容量、首次库仑效率及容量保持率等性能数据均较好。本发明制备的锂电池用负极材料在制作锂电池负极时不需要额外再添加导电剂，故大大减少制作锂电池负极时添加导电剂的机械混合工序(导电剂最重要的是分散，分散不好会较大影响电池性能)，本发明提供的方法实质上相当于以石墨烯为导电剂，不过其并非是直接在制作锂电池负极时加入，而是将加入时间提前至负极材料的制备中，且其引入方式特别，以氧化石墨烯悬浮液静置后的上层稳定分散液喷混的方式先使氧化石墨烯与特种石墨尾料混合均匀，然后再在高温和还原气氛下使其转变为石墨烯，分散更均匀，结合更牢固，以该负极材料制备锂电池负极浆料时只需加入适量的粘结剂即可，大大提升了生产锂离子电池的效率。
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 (7)

1.一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将特种石墨尾料颗粒进行球形化处理，然后加入粘结剂并混合均匀得预混料；
S2.将氧化石墨烯在溶剂中超声分散得悬浮分散液，静置后，取上层稳定分散液均匀喷混入S1中的预混料中得混合料；
S3.将S2中的混合料压型得压块，氮气及氢气的混合气氛下对压块进行焙烧处理，冷却至室温后，压块再依次经破碎、除磁和筛分工序，即得锂电池用负极材料；
S1中特种石墨尾料颗粒的中位粒径在2mm以下，其球形化处理后的中位粒径在15μm以下；
S1中预混料由球形化处理后的特种石墨尾料颗粒和粘结剂按照70-98：2-30的质量比混合而成；
S2中所述悬浮分散液中氧化石墨烯与溶剂的质量比为1：1000-10000。
2.根据权利要求1所述的一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，S1中粘结剂为沥青、热固性树脂或热塑性树脂。
3.根据权利要求2所述的一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，所述沥青的软化点为30-320℃，所述沥青为石油沥青、煤沥青、改质沥青、中温沥青、高温沥青和中间相沥青中的一种或两种以上的混合。
4.根据权利要求1所述的一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，S2中溶剂为N-甲基吡咯烷酮、丙酮、去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上的混合，
5.根据权利要求1所述的一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，S2中预混料与用于对其进行均匀喷混的上层稳定分散液的体积比为10-100：1。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，S3中的压型为模压成型和冷等静压成型中的一种或两种的组合，成型压力为40-80MPa。
7.根据权利要求6所述的一种利用特种石墨尾料制备锂电池用负极材料的方法，其特征在于，S3中焙烧处理的具体要求为升温至700-1100℃并保温1-2h，S3中氮气及氢气的混合气氛的气压为0.1-1Mpa，其中氢气的体积分数为0.1-0.5％。
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