CN108630940B - 一种高容量天然石墨负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨负极材料技术领域，具体地说是一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，包括如下制备步骤：(1)、原料整形处理；(2)、第一次混合；(3)、热处理；(4)、石墨化；(5)、第二次混合；(6)、炭化热处理。本发明同现有技术相比，制备方法工艺简便易行，原料来源广泛且成本低；工艺中采用了整形、液相包覆改性处理、石墨化等方法，制得的产品充放电效率和耐PC性能高。

Description

一种高容量天然石墨负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨负极材料技术领域，具体地说是一种高容量天然石墨负极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池与原有电池相比，以其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等特点，在手机、笔记本电脑和动力电池等方面已经迅速普及了。随着各种产品对小型轻量及多功能、动力电池领域要求的不断增加，产品对锂离子电池的高容量长循环性能要求也日益提高，目前锂离子电池能量密度主要依赖于负极材料。因此，提高锂离子电池负极材料的高容量长循环特性，是市场研究开发的热点。
锂离子二次电池负极材料使用的天然石墨有理想的层状结构，具有很高的放电容量，接近理论容量372mAh/g，成本低，但其存在结构不稳定，尤其在含PC电解液充放电过程中容易造成石墨层片脱落，导致电池容量衰减和安全性差等问题。而人造石墨具有稳定的结构，但其在合浆过程带来加工困难的问题。
因此，为克服天然石墨充放电性能和人造石墨加工性能差的不足，现有技术都是对材料进行改性处理，例如，日本专利JP10294111用沥青对石墨炭材料进行低温包覆，包覆后须进行不融化处理和轻度粉碎，这种方法难以做到包覆均匀。日本专利JP11246209是将石墨和硬炭颗粒在10～300℃温度下在沥青或焦油中浸渍，然后进行溶剂分离和热处理，这种方法难以在石墨和硬炭表面形成具有一定厚度的高度聚合的沥青层，对于天然石墨结构稳定性的提高将受到限制。日本专利JP2000003708用机械方法对石墨材料进行圆整化，然后在重油、焦油或沥青中进行浸渍，再进行分离和洗涤，单纯从包覆方法看与JP11246209相近。日本专利JP2000182617是采用天然石墨等与沥青或树脂或其混合物共炭化，这种方法能够降低石墨材料比表面积，但在包覆效果上难以达到较佳控制。日本专利JP2000243398是利用沥青热解产生的气氛对石墨材料进行表面处理，这种方法不大可能使被改性材料的形态得到很大改善，因而使电性能的提高受到限制。日本专利JP2002042816以芳烃为原料用化学气相沉积(CVD)法进行包覆或用沥青酚醛树脂进行包覆，这与JP2000182617和JP2000283398在效果上有相似之处。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的沥青改性石墨负极材料在含PC电解液放电过程稳定性差、容量衰减快的缺陷，采用液相均匀包覆改性、高温石墨化后炭包覆耐PC性能的工艺，提供一种高容量天然石墨负极材料的制备方法。
为实现上述目的，设计一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
(1)、原料整形处理：将鳞片石墨原料整形处理为D50粒径为6～28μm、振实密度为1.20～1.40g/cm3的鳞片石墨粉；
(2)、第一次混合：将鳞片石墨粉与煤焦油或石油焦油在融合机中混合得混合料；所述的鳞片石墨粉与所述的煤焦油或石油焦油的质量比为50∶50～90∶10；
(3)、热处理：混合料在惰性气体保护下，以300～700℃进行热处理12～24小时；
(4)、石墨化：热处理后的混合料以2500～3000℃，石墨化20～60小时；
(5)、第二次混合：石墨化后的混合料再与石油沥青或煤沥青按质量比80∶20～99∶1进行混合；
(6)、炭化热处理：在惰性气体保护下，以800～2000℃进行炭化热处理10～50小时，即制得D50粒径在8～30μm，振实密度在1.30g/cm3以上的高容量天然石墨负极材料。
所述的鳞片石墨原料为100目的鳞片石墨。
所述的鳞片石墨粉与煤焦油或石油焦油的质量比为80：20～90：10。
所述的热处理的温度为400～600℃。
所制得的高容量天然石墨负极材料的性能参数为：D50粒径为8～30μm，振实密度≥1.30g/cm3，放电容量≥365mAh/g，首次放电效率≥95％，在含有50％PC电解液中的放电容量≥80％。
本发明同现有技术相比，制备方法工艺简便易行，原料来源广泛且成本低；工艺中采用了整形、液相包覆改性处理、石墨化等方法，制得的产品充放电效率和耐PC性能高。
附图说明
图1为本发明实施例2中所制备的石墨负极材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案做进一步地描述。但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
鳞片石墨为青岛科硕新材料有限公司生产。
石油沥青为大连明强化工材料有限公司生产的MQ-260石油沥青。
煤沥青为河南博海化工有限公司生产的改质沥青。
实施例1
按如下制备步骤：
1、将小于100目的鳞片石墨整形处理为D50粒径为17.0μm的鳞片石墨粉；
2、然后鳞片石墨粉与煤焦油在融合机中混合，鳞片石墨粉：煤焦油的质量比90∶10；
3、在惰性气体保护下，在滚筒式电阻炉中，以500℃热处理18小时；
4、再以2800℃石墨化48小时；
5、然后再与石油沥青按质量比90∶10进行混合；
6、在惰性气体保护下，于辊道窑内，以1400℃进行炭化热处理30小时，制得锂离子电池石墨负极材料，其放大形貌参见图1。由该石墨负极材料制成的扣式电池的容量为369.9mAh/g，首次效率为95.8％，在含有50％PC电解液中的放电容量为82.8％。
实施例2
1、将小于100目的鳞片石墨整形处理为D50粒径为17.0μm的鳞片石墨粉；
2、然后鳞片石墨粉与石油焦油在融合机中混合，鳞片石墨粉：石油焦油的质量比90∶10；
3、在惰性气体保护下，在滚筒式电阻炉中，以700℃热处理12小时；
4、再以2800℃石墨化48小时；
5、然后再与石油沥青按质量比90∶10进行混合；
6、在惰性气体保护下，于辊道窑内，以1400℃进行炭化热处理30小时，制得锂离子电池石墨负极材料。由该石墨负极材料制成的扣式电池容量为371.7mAh/g，首次效率为95.8％，在含有50％PC电解液中的放电容量为84.0％。
实施例3
1、将小于100目的鳞片石墨整形处理为D50粒径为17.0μm的鳞片石墨粉；
2、然后鳞片石墨粉与石油焦油在融合机中混合，鳞片石墨粉：石油焦油的质量比70：30，
3、在惰性气体保护下，在滚筒式电阻炉中，以300℃热处理24小时；
4、再以2500℃石墨化60小时；
5、然后再与煤沥青按质量比99∶1进行混合；
6、在惰性气体保护下，于辊道窑内，以1400℃进行炭化热处理10小时，制得锂离子电池石墨负极材料。其扣式电池容量为365.2mAh/g，首次效率为95.3％，在含有50％PC电解液中的放电容量为82.1％。
实施例4
1、将小于100目的鳞片石墨整形处理为D50粒径为6.0μm的鳞片石墨粉；
2、鳞片石墨粉与煤焦油在融合机中混合，鳞片石墨粉：煤焦油的质量比50∶50；
3、在惰性气体保护下，在滚筒式电阻炉中，以400℃热处理18小时；
4、再以3000℃石墨化20小时；
5、然后再与石油沥青按质量比80∶20进行；
6、在惰性气体保护下，于辊道窑内，以800℃进行炭化热处理50小时，制得锂离子电池石墨负极材料。其扣式电池容量为371.5mAh/g，首次效率为95.2％，在含有50％PC电解液中的放电容量为83.2％。
实施例5
1、将小于100目的鳞片石墨整形处理为D50粒径为17.0μm的鳞片石墨粉；
2、鳞片石墨粉与煤焦油在融合机中混合，鳞片石墨粉：煤焦油的质量比80∶20；
3、在惰性气体保护下，在滚筒式电阻炉中，以600℃热处理18小时；
4、再以2800℃石墨化40小时；
5、然后再与煤沥青按质量比90∶10进行混合；
6、在惰性气体保护下，于辊道窑内，以1400℃进行炭化热处理30小时，制得锂离子电池石墨负极材料。其扣式电池容量为367.2mAh/g，首次效率为95.8％，在含有50％PC电解液中的放电容量为83.0％。
本发明制备的高容量天然石墨负极材料的性能参数，参见下表1：
表1高容量天然石墨负极材料的性能参数
Figure GDA0003059985370000061
对比实施例1
1、将小于100目的鳞片石墨整形处理为D50粒径为17.0μm粉末；
2、以2800℃石墨化热处理48小时；
3、再与煤沥青按质量比80：20进行混合；
4、在惰性气体保护下，在辊道窑内，以1400℃进行炭化热处理30小时，制得锂离子电池石墨负极材料。其扣式电池容量为354.1mAh/g，首次效率为91.2％，在含有30％PC电解液中的放电容量为70.8％。
实施例效果
(1)将实施例1～5以及对比实施例1中的石墨负极材料分别进行粒径、振实密度等项指标测试，结果参见表2。测试所使用的仪器名称及型号为：粒径，激光粒度分布仪MS2000；振实密度，振实密度仪FZS4-4B。
(2)采用扣式电池测试方法对实施例1～5以及对比实施例1中的石墨负极材料进行放电容量以及首次效率的测试，结果参见表2。
本发明所采用的扣式电池测试方法为：在羧甲基纤维素(CMC)水溶液中加入导电炭黑，然后加入石墨负极材料，最后加入丁苯橡胶(SBR)，搅拌均匀，在涂布机上将浆料均匀的涂在铜箔上做成极片。将涂好的极片放入温度为110℃真空干燥箱中真空干燥4小时，取出极片在辊压机上滚压，备用。模拟电池装配在充氩气的德国布劳恩手套箱中进行，电解液为1MLiPF6EC∶DEC∶DMC＝1∶1∶1(体积比)，金属锂片为对电极。容量测试在美国ArbinBT2000型电池测试仪上进行，充放电电压范围为0.005至2.0V，充放电速率为0.1C。
表2实施例及对比实施例的性能参数
Figure GDA0003059985370000081
从表2中的数据可以看出，对比实施例1中的放电容量和充放电效率低，振实密度仅为1.05g/cm3，振实密度低，在含有30％PC电解液中的放电容量仅达到70.8％；采用本发明方法制备的石墨负极材料：振实密度大于1.30g/cm3，放电容量大于365mAh/g，充放电效率大于95％，在含有50％PC电解液中的放电容量在80％以上。

Claims (5)

1.一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
(1)、原料整形处理：将鳞片石墨原料整形处理为D50粒径为6～28μm、振实密度为1.20～1.40g/cm3的鳞片石墨粉；
(2)、第一次混合：将鳞片石墨粉与煤焦油或石油焦油在融合机中混合得混合料；所述的鳞片石墨粉与所述的煤焦油或石油焦油的质量比为50∶50～90∶10；
(3)、热处理：混合料在惰性气体保护下，以300～700℃进行热处理12～24小时；
(4)、石墨化：热处理后的混合料以2500～3000℃，石墨化20～60小时；
(5)、第二次混合：石墨化后的混合料再与石油沥青或煤沥青按质量比80∶20～99∶1进行混合；
(6)、炭化热处理：在惰性气体保护下，以800～2000℃进行炭化热处理10～50小时，即制得D50粒径在8～30μm，振实密度在1.30g/cm3以上的高容量天然石墨负极材料。
2.如权利要求1所述的一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述的鳞片石墨原料为100目的鳞片石墨。
3.如权利要求1所述的一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述的鳞片石墨粉与煤焦油或石油焦油的质量比为80∶20～90∶10。
4.如权利要求1所述的一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述的热处理的温度为400～600℃。
5.如权利要求1所述的一种高容量天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所制得的高容量天然石墨负极材料的性能参数为：D50粒径为8～30μm，振实密度≥1.30g/cm3，放电容量≥365mAh/g，首次放电效率≥95％，在含有50％PC电解液中的放电容量≥80％。
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