CN109686955A - 一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域,具体公开了一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料及其制备方法,本发明中制备方法以块状石墨为原料,经转动包覆、炭化、活化扩孔制备获得一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料,该方法流程简单、处理工艺成熟;本发明中用于包覆硅的多孔块状石墨材料,打破石墨理论克容量372mAh/g的限制,可以很好地搭配硅材料使用,缓解硅在嵌脱锂过程中的体积膨胀,改善硅碳复合材料的循环稳定性等,在保证硅碳复合材料高容量优势的同时可降低硅的添加量,从而降低硅碳复合材料的成本,本发明扩宽了块状石墨的用途,扩大了锂离子电池负极材料来源空间,为市场提供了适合与硅材料复合的石墨材料,对环境友好、成本低,适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料及其制备方法。
背景技术
《促进汽车动力电池发展行动方案(2017)》明确要求,到2020年,新型锂离子动力电池的单体比能量超过300Wh/kg;到2025年,新体系动力电池技术取得突破性进展,单体比能量达500瓦时/kg,为实现发展目标,促进动力电池的快速发展,开发高能量密度、循环性能优异、安全性能好的负极材料成为当务之急。
石墨负极材料的理论容量为372mAh/g,目前商业化的高端石墨克容量普遍在350-370mAh/g,难以满足动力电池高能量密度等需求;硅以其4200mAh/g的理论容量吸引了研究工作者的广泛关注,近年来其开发力度也逐渐加大,但硅的体积效应问题仍是限制其发展的关键因素,此外,硅的成本也在一定程度上限制其应用。
目前采用纳米硅与石墨复合来缓解硅膨胀成为最广泛应用的方法,但硅材料在充放电过程中硅的巨大体积效应仍不同程度地导致硅材料周围的石墨层或碳层发生破裂,复合材料结构出现局部坍塌,循环稳定性下降,因此,研究适合包覆硅的石墨材料成为硅碳复合负极材料的研究重点。
发明内容
本发明公开一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,该方法流程简单、处理工艺成熟。
本发明还公开一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料,该材料缓解硅在嵌脱锂过程中的体积膨胀,改善硅碳复合材料的循环稳定性,保证硅碳复合材料高容量优势的同时降低硅的添加量,降低硅碳复合材料的成本。
为了实现上述发明目的,本发明采用现实技术方案:
一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
1)、包覆炭化:将石墨颗粒和高温沥青置于滚动融合包覆机中转动混合,氮气保护下,加热至100-300℃进行转动包覆,继续升温至600-700℃进行转动炭化,得到炭化料,其中石墨与高温沥青的质量比为1:0.03~1:0.07;
2)、活化扩孔:将步骤1)中得到炭化料在氮气保护下升温至700-900℃,切断氮气,通入活化扩充气体,活化扩孔后,切断活化扩孔气体,在氮气保护下随炉冷却至室温,进行过筛、除磁处理,得到用于包覆硅的多孔块状石墨材料。
步骤1)中石墨颗粒为块状石墨颗粒,其纯度为99.90%-99.95%,D50为12.0-20.0μm,比表面积为70-90m2/g,块状石墨,即致密结晶状石墨,品位高,因地质成因区别于天然鳞片石墨,内部孔隙大,具有天然蜂窝状孔洞结构,其表面和内部存在大量微孔,这些微孔增大了高温沥青与块状石墨的接触面积,有助于结合层强度的提高。
步骤1)中高温沥青的D50为1-3μm。
步骤1)中转动融合时,滚动融合包覆机的转速为500-1000转/min,转动混合时间为10-30min。
步骤1)中包覆阶段采用转动包覆,块状石墨和高温沥青处于流动状态,高温沥青颗粒可以均匀地与块状石墨结合,转动包覆时,滚动融合包覆机的转速为50-100转/min,转动包覆时间为1-3小时。
步骤1)中加热炭化时,滚动融合包覆机的的转速为50-100转/min,转动炭化时间为3-5小时。
步骤2)中,所述活化扩孔气体是氮气经过去离子水后流出的混合气体,高温下,活化扩孔气体中的水蒸气进入表面包覆层结构,水蒸气与包覆层中不稳定的碳原子反应将其脱去,留下孔隙;同时,块状石墨内部本身有发达的孔隙,水蒸气与其接触面积较常规石墨大,水蒸气分子可以与块状石墨中不稳定的碳原子充分反应,使原有孔隙扩孔,孔隙更丰富。
步骤2)中,活化扩孔气体的流量为50-100mL/min,活化扩孔时间为10-30min。
一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料,包括多孔块状石墨基体和包覆层,包覆层为包覆在石墨基体表面的多孔碳层。
一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料,所述用于包覆硅的多孔块状石墨材料的中位粒径D50为13-24μm,比表面积为14-15m2/g,包覆层厚度为8-12nm。
由于采用上述技术方案,本发明具有下述有益效果:
1.本发明中制备用于包覆硅的多孔块状石墨材料的方法,以块状石墨为原料,经转动包覆、炭化、活化扩孔制备获得,该方法流程简单、处理工艺成熟;
2.本发明中用于包覆硅的多孔块状石墨材料,打破石墨理论克容量372mAh/g的限制,可以很好地搭配硅材料使用,缓解硅在嵌脱锂过程中的体积膨胀,改善硅碳复合材料的循环稳定性等,在保证硅碳复合材料高容量优势的同时可降低硅的添加量,从而降低硅碳复合材料的成本;
3.本发明扩宽了块状石墨的用途,扩大了锂离子电池负极材料来源空间,为市场提供了适合与硅材料复合的石墨材料,对环境友好、成本低,适合工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的用于包覆硅的多孔块状石墨材料掺比8%Si粉制成的负极极片在不同压实密度下的膨胀曲线图;
图2为实施例1的用于包覆硅的多孔块状石墨材料掺比8%Si粉组装的锂离子电池全电池循环曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明中所用试剂及原料均市售可得。
实施例1
1)包覆炭化:选取纯度为99.93%、D50为16.0μm、比表面积为80m2/g的块状石墨颗粒,D50为2μm的高温沥青,二者以1:0.05的质量比置于滚动融合包覆机中,750转/min的转速下混合20min,N2保护下逐渐升温至200℃,75转/min的转速下包覆2h,继续升温至650℃,75转/min的转速下炭化4h,得到炭化料;
2)活化扩孔:将上述炭化料在N2保护下继续升温至800℃,切断N2,通入流量为75mL/min活化扩孔气体,活化扩孔20min后,切断活化扩孔气体,在N2保护下随炉冷却至室温,过筛、除磁,得到多孔块状石墨材料。
实施例2
1)包覆炭化:选取纯度为99.90%、D50为20.0μm、比表面积为70m2/g的块状石墨颗粒,D50为3μm的高温沥青,二者以1:0.07的质量比置于滚动融合包覆机中,500转/min的转速下混合10min,N2保护下逐渐升温至300℃,50转/min的转速下包覆1h,继续升温至700℃,50转/min的转速下炭化3h,得到炭化料;
2)活化扩孔:将上述炭化料在N2保护下继续升温至900℃,切断N2,通入流量为50mL/min活化扩孔气体,活化扩孔10min后,切断活化扩孔气体,在N2保护下随炉冷却至室温,过筛、除磁,得到多孔块状石墨材料。
实施例3
1)包覆炭化:选取纯度为99.95%、D50为12.0μm、比表面积为90m2/g的块状石墨颗粒,D50为1μm的高温沥青,二者以1:0.03的质量比置于滚动融合包覆机中,1000转/min的转速下混合30min,N2保护下逐渐升温至100℃,100转/min的转速下包覆3h,继续升温至600℃,100转/min的转速下炭化5h,得到炭化料;
2)活化扩孔:将上述炭化料在N2保护下继续升温至700℃,切断N2,通入流量为100mL/min活化扩孔气体,活化扩孔30min后,切断活化扩孔气体,在N2保护下随炉冷却至室温,过筛、除磁,得到多孔块状石墨材料。
对比例1
本对比例块状石墨不经过活化扩孔过程,其他同实施例1。
对比例2
本对比例是将实施例1中的块状石墨换成天然鳞片石墨,其余同实施例1。
效果实施例
(1)将实施例1-3、对比例1-2所得多孔块状石墨材料分别进行粒径、比表面积、包覆层厚度物理性能检测,结果列于表1中,测试所使用的仪器及型号为:粒径,激光粒度分布仪(BT-9300S);比表面积,全自动氮吸附比表面仪(3H-2000A)。
(2)将实施例1-3、对比例1-2所得多孔块状石墨材料与D50为200nm的市售硅粉按92:8的质量比均匀复合,得到的复合物作为负极材料,按照常规方法制成负极极片,金属锂片作对电极,1M LiPF6+EC:EMC:DEC=1:1:1体系作电解液,25μm厚PE/PP/PE隔膜,组装半电池,并测试其电化学性能,结果列于表2中;
将实施例1-3、对比例1-2所得多孔块状石墨材料与D50为200nm的市售硅粉按92:8的质量比均匀复合,得到的复合物作为负极材料,LiCoO2作为正极材料,1M LiPF6+EC:EMC:DEC=1:1:1体系作电解液,25μm厚PE/PP/PE隔膜,组装锂离子电池全电池,并测试其电化学性能,结果列于表2中。
表1实施例及对比例所得石墨材料的物理性能检测结果
上述结果显示,采用实施例1-3所得多孔块状石墨材料比表面积均大于14m2/g,比不经过活化扩孔过程所得材料、采用天然鳞片石墨制所得材料的比表面积都大,实验结果表明:本发明的多孔块状石墨材料的孔隙结构比较发达。
表2实施例及对比例材料掺8%Si组装的锂离子电池电化学性能检测结果
上述结果显示,在同样掺比8%Si的条件下,实施例1-3表现出更高的首次充电克容量,且保持高容量的同时,首次库伦效率仍保持在87%以上,半电池满电状态下极片膨胀小于24%以下,明显低于对比例1-2;同时,0.5C/1C下500周容量循环保持率保持在80%以上,实验结果表明:本发明的多孔块状石墨材料非常适合用于包覆硅材料,具有优异电化学性能优势和应用成本优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用于以限制本发明。
Claims (10)
1.一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
1)、包覆炭化:将石墨颗粒和高温沥青置于滚动融合包覆机中转动混合,氮气保护下,加热至100-300℃进行转动包覆,继续升温至600-700℃进行转动炭化,得到炭化料,其中石墨与高温沥青的质量比为1:0.03~1:0.07;
2)、活化扩孔:将步骤1)中得到炭化料在氮气保护下升温至700-900℃,切断氮气,通入活化扩充气体,活化扩孔后,切断活化扩孔气体,在氮气保护下随炉冷却至室温,进行过筛、除磁处理,得到用于包覆硅的多孔块状石墨材料。
2.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤1)中,所述石墨颗粒为块状石墨颗粒,其纯度为99.90%-99.95%,D50为12.0-20.0μm,比表面积为70-90m2/g。
3.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤1)中,所述高温沥青的D50为1-3μm。
4.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤1)中转动混合时,所述滚动融合包覆机的转速为500-1000转/min,转动混合时间为10-30min。
5.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤1)中转动包覆时,滚动融合包覆机的转速为50-100转/min,转动包覆时间为1-3小时。
6.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤1)中,所述加热炭化时,滚动融合包覆机的的转速为50-100转/min,转动炭化时间为3-5小时。
7.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤2)中,所述活化扩孔气体是氮气经过去离子水后流出的混合气体。
8.根据权利要求1所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料制备方法,其特征在于,在步骤2)中,活化扩孔气体的流量为50-100mL/min,活化扩孔时间为10-30min。
9.一种采用权利要求1-8中所述任意一种制备方法制备而成的用于包覆硅的多孔块状石墨材料,其特征在于,包括多孔块状石墨基体和包覆层,包覆层为包覆在石墨基体表面的多孔碳层。
10.根据权利要求9所述一种用于包覆硅的多孔块状石墨材料,其特征在于,所述用于包覆硅的多孔块状石墨材料的中位粒径D50为13-24μm,比表面积为14-15m2/g,包覆层厚度为8-12nm。
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