CN107381563A - 一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，所述的石墨负极材料孔径大、孔隙率高，是加入造孔料制造出来的；造孔料是沸点低于石墨化温度的金属、非金属的单质或者其化合物，先和石墨原料混合，在石墨化过程中造孔料受热蒸发掉，在石墨粉体上留下大量孔洞，从而形成造孔。本发明的石墨负极材料的孔径和孔隙率由造孔料的粒径和比例决定。使用该石墨负极材料制作的锂离子电池可以5C以上快速充电且循环寿命长。所述锂离子电池包括使用了本发明的石墨的负极片以及正极片、隔膜、电解液和外壳。

Description

一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池
技术领域
本发明属于新能源锂离子电池材料及其电池制造技术领域，具体涉及一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池。
背景技术
为了缓解日益严重的环境污染问题，国家大力倡导发展新能源行业，促进新能源汽车产业的发展。锂离子电池能量密度大，循环寿命长，是目前新能源汽车最主要的动力提供者。
更重要的是以锂离子电池为动力单元的纯电动新能源汽车实现了零排放，避免了传统燃油车的尾气污染，对改善空气质量，降低PM2.5含量大有裨益。
但与传统燃油汽车相比，锂离子电池动力单元还存在着一些弱点，比如燃油汽车在燃料耗尽后到加油站只要十几分钟就可加满一箱油，而锂离子动力单元要充满电需要5个小时以上，根本无法同日而语。
缩短动力电池的充电时间，提高充电效率早已刻不容缓。为了解决这个问题，各电池企业以及各大研究机构都在大力开发快充电池，但大家仍然面临许多困难，鲜有成功产品面世。
其中主要的问题在于一旦采用快速充电，那么充电倍率必然加大，而常规锂离子电池一旦大倍率充电，其循环寿命将大幅缩短，严重影响电池的安全和使用期限，造成电池的自身价值缺失而形成资源浪费。
动力锂离子电池的充电最重要的控制步骤之一在于锂离子从负极表面到石墨内部的扩散，常规石墨材料的孔径小，孔隙率低，锂离子要缓慢由外往内部渗透。常规电池最大充电倍率在1C左右，一旦大电流充电，来不及扩散到石墨内部的锂离子就可能会在负极石墨表面析出，析出的锂和电解液反应生成氟化锂等难溶解的锂盐覆盖在石墨表面，挡住石墨表面的微孔，使其他锂离子无法进入负极石墨内部，随着循环进行，电池容量越来越低。所以为了提高电池使用寿命，大多数锂离子电池都采用0.2C充电，充满需要5个小时以上。
解决以上问题的最重要的方法之一就是加大石墨材料内部的孔径与孔的数量，这样在电池充电时锂离子可以通过材料内部的孔道迅速从石墨表面扩散到内部的各个部位，完成充电，这就可以实现大倍率充电。
经过反复研究与试验，一种新的孔径大、孔隙率高的石墨负极材料问世了，通过使用这种材料制作的锂离子电池可以5C以上快速充电，12分钟可以充满95%的电量，室温环境下5C循环寿命超过2000次。采用本发明制造的电池制造新能源汽车动力单元，到充电站只要12分钟就可以充入95%的电量，几乎就和现在的传统燃油汽车到加油站加油的速度差不多了。
发明内容
一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述的石墨负极材料孔径大、孔隙率高，是加入造孔料制造出来的；所述的造孔料是沸点低于石墨化温度的金属、非金属的单质或者其化合物，先和石墨原料混合，在石墨化过程中造孔料受热蒸发掉，在石墨粉体上留下大量孔洞，从而形成造孔。所述的石墨的孔径和孔隙率是由造孔料的粒径和比例决定的。
所述的石墨负极材料的制造工艺是：首先将造孔料和加工后的石油焦或者针状焦粉混合均匀，然后加沥青捏混（原料也可以分别和沥青先混合），再挤压定型成薄片，再煅烧预石墨化，再高温石墨化，最后粉碎得到成品石墨。与常规的石墨生产工艺不同，本工艺要把捏混后的定型为薄片，这样就有利于造孔料高温气化后挥发散出，如果片太厚可能导致气体无法散出。
本发明所使用的造孔料可以是硅、铁、铝、铜等金属非金属单质以及它们的化合物，其沸点小于石墨化温度，但造孔料的沸点离石墨化温度不能太远，否则，石墨原料还没石墨化造孔料早已挥发殆尽，造孔料造孔功能大为减弱。本发明工艺的石墨化温度在2500℃-3300℃，这个温度既可以保证石墨生产的正常工艺需求，又可以让很多物质可以用来作为造孔料，硅、铁、铝、铜等金属非金属单质以及它们的化合物的沸点都在2000℃到3300℃之间，材料又有一定可加工性是良好的石墨造孔料，在2500℃到3300℃范围内石墨化温度选择稍高于造孔料沸点温度即可。
本发明石墨生产过程中，当温度到达造孔料沸点温度时，造孔料开始气化蒸发出去，挥发完毕后，石墨分体上便留下大量孔洞，从而达到造孔的目的。
本发明石墨的孔径和孔隙率可以通过造孔料的粒径和使用比例来控制。
所述的石墨在加工过程中可以通过石墨化温度时间的长短以及硅的使用量制造出硅
碳混合物，这是一种性能优良的电池负极材料，用此材料制造的锂离子电池既可以快速充电，还有很高的体积比质量比能量。
一种使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述使用该石墨负极材料制造的锂离子电池具有良好快充性能，可以5C以上快速充电，5C电流充电12分钟可以充入95%以上电量，室温环境下5C循环寿命超过2000次。这个充电时间几乎和传统的燃油汽车的加油时间相当，大大弥补了新能源汽车充电时间长的缺陷。
如上所述的一种使用该石墨的快充锂离子电池，所述快充电池锂离子的负极片是由本发明的石墨负极材料制造的，该电池还包括正极片、隔膜、电解液和外壳。
附图说明
附图1是本发明的石墨负极材料。
附图2是使用本发明石墨制造的锂离子电池。
附图3是硅造孔料得到的石墨负极材料制造的锂离子电池放电曲线。
附图4是硅造孔料得到的石墨负极材料制造的锂离子电池5C/5C寿命。
附图5是铝造孔料得到的石墨负极材料制造的锂离子电池。
附图6是铝造孔料得到的石墨负极材料制造的锂离子电池5C/5C寿命。
附图7是铁造孔料得到的石墨负极材料制造的锂离子电池放电曲线。
附图8是铁造孔料得到的石墨负极材料制造的锂离子电池5C/5C寿命。
具体实施方式
下面叙述的案例是对本发明的补充说明，而非是对本发明的限制。
经前期反复试验验证发现，成品的孔隙率在35%左右时，孔径在100nm左右时电池
的快充性能最好，电池循环性能最长。但在实际制造过程中发现，如果造孔料密度和石墨原
料相差太大将不容易混合，因为密度大的会沉在底下，最好是其中的一种先和沥青捏混然后
再和另外的料捏混。
实例一
取已经段饶粉碎后的石油焦粉、纳米硅粉按质量比4:5混合均匀，纳米硅粉的粒径主要集中分布在100nm左右。
按质量比石油焦：沥青=100:12取沥青加入石油焦份和纳米硅粉混合料中，用捏混机
将料混合均匀。
用挤压机把捏混后的材料挤出定型成薄片状，片厚度在2毫米左右。
将薄片放入连续生产石墨化炉预石墨化，设置温度1500℃，加热20小时，通氮气。
继续将材料放在连续生产石墨化炉中，设置3000℃，加热18小时，通氮气。
石墨化完毕后，用粉碎机将材料粉碎。
用所得石墨制造锂离子电池并测试。
测试数据如图3、4所示，电池放电电压正常，5C/5C室温下循环寿命2000次以上。
实例二
取已经段饶粉碎后的石油焦粉、纳米铝粉按质量比2:3混合均匀，纳米铝粉的粒径主要集中分布在120nm左右。
按质量比石油焦：沥青=100:12取沥青加入石油焦份和纳米铝粉混合料中，用捏混机
将料混合均匀。
用挤压机把捏混后的材料挤出定型成薄片状，片厚度在2毫米左右。
将薄片放入连续生产石墨化炉预石墨化，设置温度1500℃，加热20小时，通氮气。
继续将材料放在连续生产石墨化炉中，设置2600℃，加热18小时，通氮气。
石墨化完毕后，用粉碎机将材料粉碎。
用所得石墨制造锂离子电池并测试。
测试数据如图5、6所示，电池放电电压正常，5C/5C室温下循环寿命2000次以上。
实例三
取已经段饶粉碎后的石油焦粉、纳米铁粉、沥青，按质量比100:400:12配料，纳米铁粉的粒径主要集中分布在80nm左右。
先将石油焦份和沥青放入捏混机中混合，再将纳米铁粉放入捏混机中混合。
用挤压机把捏混后的材料挤出定型成薄片状，片厚度在2毫米左右。
将薄片放入连续生产石墨化炉预石墨化，设置温度1500℃，加热20小时，通氮气。
继续将材料放在连续生产石墨化炉中，设置2800℃，加热18小时，通氮气。
石墨化完毕后，用粉碎机将材料粉碎。
用所得石墨制造锂离子电池并测试。
测试数据如图7、8所示，电池放电电压正常，5C/5C室温下循环寿命2000次以上。

Claims (9)

1.一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述的石墨负极材料孔径大、孔隙率高，是加入造孔料制造出来的；所述的造孔料是沸点低于石墨化温度的金属、非金属的单质或者其化合物，先和石墨原料混合，在石墨化过程中造孔料受热蒸发掉，在石墨粉体上留下大量孔洞，从而形成造孔。
2.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述的石墨的孔径和孔隙率是由造孔料的粒径和比例决定的。
3.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述的石墨负极材料的制造工艺是：首先将造孔料和加工后的石油焦或者针状焦粉混合均匀，然后加沥青捏混（原料也可以分别和沥青先混合），再挤压定型成薄片，再煅烧预石墨化，再高温石墨化，最后粉碎得到成品石墨。
4.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述的石墨负极材料的石墨化温度在2500℃-3300℃范围内，这个温度既可以保证石墨生产的正常工艺需求，又可以让很多物质气化，从而可以达到造孔的目的。
5.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述造孔料的沸点小于但接近石墨化温度，其可以是硅、铁、铝、铜等金属非金属单质以及它们的化合物，在2500℃-3300℃范围内石墨化温度选择稍高于造孔料沸点温度即可。
6.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述造孔料在石墨化过程中被高温气化蒸发出石墨粉体，然后在石墨粉体上留下大量孔洞，从而形成造孔。
7.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述的石墨在加工过程中可以通过石墨化温度时间的长短以及硅的使用量制造出硅碳混合物，这是一种性能优良的电池负极材料，用此材料制造的锂离子电池既可以快速充电，还有很高的体积比质量比能量。
8.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述使用该石墨负极材料制造的锂离子电池具有良好快充性能，可以5C以上快速充电，5C电流充电12分钟可以充入95%以上电量，室温环境下5C循环寿命超过2000次。
9.根据权利要求1所述的一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池，其特征在于，所述快充电池锂离子的负极片是由本发明的石墨负极材料制造的，该电池还包括正极片、隔膜、电解液和外壳。
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