CN107221674A - 一种锂离子电池复合石墨负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种锂离子电池复合石墨负极材料及其制备方法，锂电子电池复合石墨负极材料包括内核和壳层，内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，壳层为焦炭石墨化过程中挥发份形成的炭层，制备步骤包括粉碎、整形分级、混合、石墨化、过筛，本发明无需使用有机溶剂，石墨化过程中实现石墨的表面包覆，处理工艺简单，安全环保，合成成本低，且制得的复合负极材料具有优异的综合性能。

Description

一种锂离子电池复合石墨负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池电极材料及其制备技术领域，具体涉及一种锂离子电池复合石墨负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池被视为可持续运输行业中的能源选择。在混合动力车辆中，内燃机与电化学电池的协同组合提供了较高的燃料利用率，这于燃料经济、污染排放控制均大有裨益。如今，靠电池供电的混合动力汽车的生产非常迅速地由演示模型转变为较为成功的商业化产品。作为当今最新一代的清洁化学能源，锂离子电池因其使用寿命长、体积小、比能量高等优点，在电池领域中独树一帜。人造石墨作为锂离子电池负极材料的一种，由于其结构稳定，比容量高，循环性能和低温性能好，在负极材料市场人造石墨的市场份额在逐年增大。
但人造石墨表面的活性端面较多，在充放电过程中电解液在其表面会发生分解，从而造成不可逆容量增大，首次库伦效率减小。此外，在锂离子移动过程中发生溶剂分子共嵌入，破坏人造石墨的结构而使其容量和安全性能降低。因此，为了提高人造石墨的电化学性能，需要对其表面进行改性处理，常用的方法是在人造石墨的表面包覆一层材料，使其形成一种“核-壳结构”。
中国专利CN1304187A和中国专利CN1224251A等用树脂类高分子热解炭包覆处理，能阻止溶剂分子共插入，减小充放电过程中石墨的结构变化，提高材料的循环性能，但采用该包覆方法包覆后的材料比表面积增大，而使不可逆容量变大，首次库伦效率减小；中国专利CN96198348.5和CN03120199.6，采用沥青等进行包覆，发现沥青热解炭包覆的负极材料比表面积小，和石墨的亲和性好，结构更稳定，但沥青在包覆过程因融化而变形，且用量过多会导致结块过少会包覆不均匀；中国专利CN101162775A将沥青和树脂同时溶解，然后加入石墨混合，溶剂蒸发后经热处理，形成的热解炭包覆在石墨表面，来提高石墨的循环性能和倍率性能，但该方法中需用到有机溶剂，易造成污染。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种锂离子电池复合石墨负极材料及其制备方法，通过粉碎、整形分级、混合、石墨化、过筛等步骤制成，石墨化过程中实现石墨材料的表面包覆，无需使用有机溶剂，处理工艺简单，加工成本低，安全环保，通过内核焦炭挥发份形成的炭层实现人造石墨和天然石墨的表面包覆，制得的负极材料具有优异的综合性能。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和天然石墨，外壳为石墨化过程中挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将焦类材料进行粉碎，整形、分级；
2)将分级后的焦类材料和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；
4)取出，过筛，即得包覆的复合石墨负极材料产品。
优选的，步骤1)中所述的焦类材料为针状焦、石油焦、沥青焦、煅后焦中的一种或多种。
优选的，所述石油焦为煅前焦。
优选的，所述焦类材料的挥发份为10-20wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述焦类材料的平均粒径D50为10-40μm。
优选的，所述焦类材料优选为针状焦与石油焦的组合物，所述针状焦与石油焦的添加质量比为0-0.90：1。。
优选的，步骤2)中球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的1-10％。
优选的，步骤3)中石墨化温度为2500-3000℃。
优选的，步骤4)中过筛筛目为100-300目。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明的制备方法，混合料在石墨化过程中实现了石墨材料的表面包覆，处理工序简单，无包覆过程，合成成本低，且制备过程中没有用到有机溶剂，制备方法安全环保；
2)通过在石墨化过程中内核焦炭挥发份形成的炭层实现人造石墨和天然石墨的表面包覆，制得的复合负极材料具有优异的综合性能，对所获得的复合负极材料进行检测，振实密度大于1.04，比表面积在2.0以下，首次放电容量在359mAh/g以上，首次库仑效率在93％以上，综合性能优良(以上数据为本发明实施例制得产品经检测后所得)。
附图说明
图1为本发明制备样品的SEM电镜图；
图2为本发明制得样品的首次充放电曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为石墨化过程焦炭中的挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.68：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为15.7wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为10-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的2.5％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为2800℃；
4)取出，过100目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例2：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭石墨化过程中挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.90：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为14.2wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为10-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的3.5％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为3000℃；
4)取出，过250目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例3：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭石墨化过程中挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.3：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为20wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为10-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的1％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为2500℃；
4)取出，过300目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例4：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭中沉积的挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.54：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为10wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为10-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的5％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为2600℃；
4)取出，过250目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例5：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭石墨化过程中挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.8：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为17wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为10-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的4％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为2700℃；
4)取出，过200目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例6：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭石墨化过程中挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.4:1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为18.5wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为20-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的2％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为2800℃；
4)取出，过300目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例7：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭中沉积的挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0.62：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为16.5wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为20-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的4.3％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为3000℃；
4)取出，过250目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
实施例8：
一种锂离子电池复合石墨负极材料，包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭中沉积的挥发份形成的炭层，所述锂电子电池复合石墨负极材料制备步骤如下：
1)将针状焦和石油焦按质量比为0：1取料，然后分别进行粉碎，整形、分级；石油焦为煅前焦，针状焦、石油焦的挥发份为15wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述针状焦、石油焦的平均粒径D50为20-40μm；
2)将分级后的针状焦、石油焦和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；其中，球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的3.5％；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；其中，石墨化温度为2600℃；
4)取出，过250目筛，即得经包覆的复合石墨负极材料产品。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：包括内核和壳层，所述内核为焦炭石墨化后形成的人造石墨和未经包覆的天然石墨，所述壳层为焦炭石墨化过程中挥发份形成的炭层，所述锂电子电池人造石墨负极材料制备步骤如下：
1)将焦类材料进行粉碎，整形、分级；
2)将分级后的焦类材料和未经包覆的球形天然石墨混合，得混合料；
3)将混合料送入艾奇逊石墨化炉中进行石墨化；
4)取出，过筛，即得包覆的复合石墨负极材料产品。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：步骤1)中所述的焦类材料为针状焦、石油焦、沥青焦、煅后焦中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：所述石油焦为煅前焦。
4.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：所述焦类材料的挥发份为10-20wt％，灰分＜0.3％，硫份＜0.5％，所述焦类材料的平均粒径D50为10-40μm。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：所述焦类材料优选为针状焦与石油焦的组合物，所述针状焦与石油焦的添加质量比为0-0.90：1。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：步骤2)中球形天然石墨的添加重量为针状焦、石油焦两者总量的1-10％。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：步骤3)中石墨化温度为2500-3000℃。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池复合石墨负极材料，其特征在于：步骤4)中过筛筛目为100-300目。
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Denomination of invention: A composite graphite negative electrode material for lithium-ion batteries and its preparation method

Effective date of registration: 20230613

Granted publication date: 20191203

Pledgee: Maanshan Branch of China Everbright Bank Co.,Ltd.

Pledgor: Anhui Keda New Materials Co.,Ltd.

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