CN107910553A - 中间相炭微球改性方法及其作为电池负极材料的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种中间相炭微球改性方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。对中间相炭微球进行简单的空气氧化处理，即可提高其可逆容量，改善其倍率性能和循环性能。首次可逆容量为340mAh/g，首次库伦效率92％。本发明中所用的原材料资源丰富、成本较低，制备工艺简单，易于大规模生产。

Description

中间相炭微球改性方法及其作为电池负极材料的应用
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种中间相炭微球改性方法及其作为电池负极材料的应用。
背景技术
随着化石能源的日益减少，环境污染的日益严重，可再生新能源获得了越来越多的关注。锂离子电池作为一种新能源电池，自从它进入市场就受到了人们的青睐，因为它具有能量密度高、循环寿命长、环境友好、体积小、重量轻等优点。锂离子电池的快速发展又离不开负极材料的发展，从锂离子电池出现到现在负极材料已经有了很大的进步。但是仍然有一些需要改进的地方，比如进一步提高锂离子电池的比容量、充放电效率以及循环性能。因此，寻求简单的方法合成高性能的电极材料具有非常重要的意义。
目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨，但是由于其结构的局限性，使其不适用于快速充放电，成为了制约动力锂离子电池发展的主要原因。因此，发展具有更好倍率性能、更低成本、更长寿命以及安全可靠的负极材料已经十分紧迫。中间相炭微球由于其特有的球形结构使得更加利于紧密堆积，而且小球的片层结构有利于锂离子的嵌入和脱出。球形结构使得其比表面积较小，减少了充放电过程中的边界副反应。但是，相比其他石墨类负极材料，中间相炭微球容量偏低。
目前对中间相炭微球的表面改性及修饰主要包括表面氧化改性、膨化处理、包覆材料及掺杂其他元素等。相比其他方法，表面氧化改性是对其表面改性最有效、最简单的方法。表面改性方法主要包括空气氧化和浓硫酸氧化。浓硫酸氧化对中间相炭微球处理的过程中，通常会向样品中引入硫元素，而硫元素的存在通常会影响全电池的整体性能，尤其是长周期循环性能。与浓硫酸氧化相比，空气氧化是一种简单易行、成本较低且行之有效的方法，不会引入其他杂志元素。但是其存在一个很大的缺点就是氧化只能发生在空气接触到的颗粒表面，因此所制备的材料很难保证其均一性。因此，需要提供一种能够保证材料均一性的中间相炭微球改性方法。
发明内容
本发明的目的在于解决空气氧化不充分、不均一的技术问题，提供了一种中间相炭微球改性方法及其作为电池负极材料的应用。
本发明的技术方案如下：
一种中间相炭微球的改性方法，依次包括如下步骤：
步骤1.将中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中；
步骤2.向高温鼓风反应炉中通入反应气体，并开启高温鼓风反应炉的鼓风按钮，使中间相炭微球与反应气体充分接触；
步骤3.开启高温鼓风反应炉的加热按钮，对中间相炭微球进行高温加热处理，反应温度为200-800℃，反应时间为0.5-50小时。
步骤4.然后将步骤3高温加热反应得到的产物在惰性气体保护下降至常温，即得到改性后的中间相炭微球。
所述步骤2采用的反应气体为氧气、空气、氧气与惰性气体的混合气体或者空气与惰性气体的混合气体。
所述步骤2中反应气体的流量为0.001-100m3/h·kg(以氧气的标准体积为基准)，物料的收率要求大于80％，优选收率为90％-95％。
所述步骤2中反应气体的流量优选为0.01-10m3/h·kg。
所述步骤3反应温度优选为300-500℃。
所述步骤3反应时间优选为1-20小时。
采用上述任意一项方法制备得到的改性后的中间相炭微球。
采用上述改性后的中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的应用。
本发明还提供了一种采用上述方法制备的中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法，依次包括如下步骤：
步骤1.将上述方法制备的中间相炭微球、导电剂炭黑、粘结剂PVDF按照质量比90:5:5，使用N-甲基吡咯烷酮调成均匀的糊状泥浆，然后将其均匀的涂覆在铜箔上；
步骤2.然后将步骤1制备的涂有上述方法制备的中间相炭微球的铜箔置于真空烘箱中120℃干燥12h，待温度降到室温后裁片并准确称量，即可得到组装电池用负极材料电极。
本发明还提供了一种采用上述负极材料的半电池，隔膜采用聚丙烯膜，型号：Celgard2400；电解液采用六氟磷酸锂(LiPF6)溶解在碳酸乙烯酯(EC)与二甲基碳酸乙烯酯(DMC)(体积比为1:1)的混合液中。半电池测试条件：电压窗口0.01-2.00V，温度25℃。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所提供的方法主要有以下特点：(1)成本低；(2)均一性好；(3)稳定性好；(4)生产效率高。
2.本发明提供的制备工艺得到的中间相炭微球具有以下特点：(1)可逆容量高，可达340mAh/g；(2)倍率性能好；(3)循环性能好。
3.本发明中所用的原材料资源丰富、成本较低，制备工艺简单，易于大规模生产。
附图说明
图1为改性后的中间相炭微球的扫描电镜图；
图2为改性后的中间相炭微球的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种中间相炭微球的改性方法，依次包括如下步骤：
步骤1.将中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中；
步骤2.向高温鼓风反应炉中通入反应气体，并开启高温鼓风反应炉的鼓风按钮，使中间相炭微球与反应气体充分接触；
步骤3.开启高温鼓风反应炉的加热按钮，对中间相炭微球进行高温加热反应，反应温度为200-800℃，反应时间为0.5-50小时。
步骤4.然后将步骤3高温加热反应得到的产物在惰性气体保护下降至常温，即得到改性后的中间相炭微球。
所述步骤2采用的反应气体为氧气、空气、氧气与惰性气体的混合气体或者空气与惰性气体的混合气体。
所述步骤2中反应气体的流量为0.001-100m3/h·kg(以氧气的标准体积为基准)，物料的收率要求大于80％，优选收率为90％-95％。
所述步骤2中反应气体的流量优选为0.01-10m3/h·kg。
所述步骤3反应温度优选为300-500℃。
所述步骤3反应时间优选为1-20小时。
本实施例还提供了一种采用上述方法制备的中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法，依次包括如下步骤：
步骤1.将上述方法制备的中间相炭微球、导电剂炭黑、粘结剂PVDF按照质量比90:5:5，使用N-甲基吡咯烷酮调成均匀的糊状泥浆，然后将其均匀的涂覆在铜箔上；
步骤2.然后将步骤1制备的涂有上述方法制备的中间相炭微球的铜箔置于真空烘箱中120℃干燥12h，待温度降到室温后裁片并准确称量，即可得到组装电池用负极材料电极。
本实施例还提供了一种采用上述负极材料的半电池，隔膜采用聚丙烯膜，型号：Celgard2400；电解液采用六氟磷酸锂(LiPF6)溶解在碳酸乙烯酯(EC)与二甲基碳酸乙烯酯(DMC)(体积比为1:1)的混合液中。半电池测试条件：电压窗口0.01-2.00V，温度25℃。
实施例2
1.改性中间相炭微球的制备：将10kg中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中，炉子温度设定为650℃，通入的气体为空气，流量为1m3/h，时间为4h，降温阶段的保护气体为氮气，收料87.53％。如附图1扫描电子显微镜照片分析表明改性后的中间相炭微球为类球形结构。如附图2电化学性能测试结果表明，该复合材料材料在0.2C电流密度下，首次可逆容量为341.35mAh/g，首次库伦效率92.4％。
2.中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法以及半电池制作流程及测试条件同前。
实施例3
1.改性中间相炭微球的制备：将10kg中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中，炉子温度设定为650℃，通入的气体为空气，流量为1m3/h，时间为1h，降温阶段的保护气体为氮气，收料97.98％。将其作为锂离子电池负极材料时，首次可逆容量为340.67mAh/g，首次效率92.2％。
2.中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法以及半电池制作流程及测试条件同前。
实施例4
1.改性中间相炭微球的制备：将10kg中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中，炉子温度设定为600℃，通入的气体为空气，流量为1m3/h，时间为1h，降温阶段的保护气体为氮气，收料98.96％。将其作为锂离子电池负极材料时，首次可逆容量为339.78mAh/g，首次效率92.1％。
2.中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法以及半电池制作流程及测试条件同前。
实施例5
1.改性中间相炭微球的制备：将10kg中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中，炉子温度设定为550℃，通入的气体为空气，流量为1m3/h，时间为1h，降温阶段的保护气体为氮气，收料99.47％。将其作为锂离子电池负极材料时，首次可逆容量为333.47mAh/g，首次效率92％。
2.中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法以及半电池制作流程及测试条件同前。
实施例6
1.改性中间相炭微球的制备：将10kg中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中，炉子温度设定为650℃，通入的气体为空气，流量为1m3/h，时间为0.5h，降温阶段的保护气体为氮气，收料98.13％。将其作为锂离子电池负极材料时，首次可逆容量为340.87mAh/g，首次效率92.1％。
2.中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的制作方法以及半电池制作流程及测试条件同前。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明意图也包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于依次包括如下步骤：
步骤1.将中间相炭微球置于高温鼓风反应炉中；
步骤2.向高温鼓风反应炉中通入反应气体，并开启高温鼓风反应炉的鼓风按钮，使中间相炭微球与反应气体充分接触；
步骤3.开启高温鼓风反应炉的加热按钮，对中间相炭微球进行高温加热处理，反应温度为200-800℃，反应时间为0.5-50小时。
步骤4.然后将步骤3高温加热反应得到的产物在惰性气体保护下降至常温，即得到改性后的中间相炭微球。
2.如权利要求1所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤2采用的反应气体为氧气、空气、氧气与惰性气体的混合气体或者空气与惰性气体的混合气体。
3.如权利要求2所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤2中反应气体的流量应保证氧气的流量为0.001-100m3/h·kg。
4.如权利要求3所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤3反应温度为300-500℃。
5.如权利要求3所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤3反应时间为1-20小时。
6.如权利要求3所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤3中物料的收率要求大于80％。
7.如权利要求3所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤3中物料的收率要求90％-95％。
8.如权利要求3所述的一种中间相炭微球的改性方法，其特征在于：所述步骤2中反应气体的流量优选为0.01-10m3/h·kg。
9.采用权利要求1-8任意一项方法制备得到的改性后的中间相炭微球。
10.采用权利要求9所述的改性后的中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的应用。
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