CN110943208A - 一种高温锂离子电池石墨负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温锂离子电池石墨负极材料及其制备方法,该石墨负极材料包括由石墨构成的内核和包覆在石墨外的包覆层,所述包覆层包括由内到外依次设置的金属氧化物层和碳层。其利用金属氧化物层和碳层协同作用在石墨外形成密的碳壳层,可以有效的隔绝电解液与石墨的接触,改善负极SEI膜的稳定性,有助于形成稳定的固体‑电解质界面,从而大大提高了石墨负极材料的高温性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域,更具体的说是涉及一种高温锂离子电池石墨负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池存在着许多优点,如能量密度高、工作电压大、自放电率低和优良的循环性能,已广泛用作商用电子产品的电源。但在实际应用中,锂离子电池都存在一个共同的问题,即高温储存过程中电池性能劣化。由于近些年来地球表面臭氧层的破坏,导致尤其夏季地表温度和环境温度的升高,不论是手机、笔记本等便携设备使用的3C类民用电池,还是电动汽车使用的动力电池都在经受着高温的考验。据有关人员实地测量夏日烈日下暴晒的汽车内温度可达70-80℃,如此高的温度下锂离子电池的性能也会发生劣化。一般希望用于电动汽车的锂离子电池的使用寿命在十年以上。电池在使用过程中经常遇到低温、高温、高湿等极端环境,对电池的性能和使用寿命都是严峻的考验。在锂离子电池搁置过程中,特别是在高温环境、满荷电状态下电池系统处于热力学不稳定状态,会不断向平衡状态转化,主要包括负极SEI膜在高温储存过程中,SEI膜的分解和修复会造成锂离子的消耗,阻抗增加;嵌锂石墨中的锂会扩散到外层边缘出,通过与电解液和杂质的反应,锂的消耗会造成电池不可逆容量的损失。锂离子电池在高温环境搁置后,不仅会导致锂离子电池电压,内阻变化,还将影响倍率性能及安全特性。一般来说,锂离子电池在使用环境温度高达85℃或以上时进行存储,电池将很快胀气而不能使用。
目前针对高温性能的改善主要是向电解液中添加成膜添加剂,改善石墨表面性质从而提高石墨负极的高温性能,但成膜添加剂必须通过扩散至石墨负极表面才可有效发挥作用,高温性能的提升受限于其扩散浓度梯度的影响,效果缓慢;并且在SEI膜形成后,成膜添加剂继续扩散至石墨负极表面时,会使电池内部阻抗增加。因此,成膜添加剂的使用对高温性能的提升效果有限。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种高温锂离子电池石墨负极材料及其制备方法。
本发明通过下述技术方案实现:
一种高温锂离子电池石墨负极材料,包括由石墨构成的内核和包覆在石墨外的包覆层,所述包覆层包括由内到外依次设置的金属氧化物层和碳层。负极在高温存储过程中,嵌入的锂会扩散到外层边缘处,通过其与电解液和杂质的反应,形成不溶物即为SEI膜,锂的消耗造成不可逆容量的的损失;SEI膜本身缺陷也会导致SEI膜中亚稳态物质高温下分解为更稳定的物质,导致SEI膜存在孔隙,SEI膜的进一步进行修复会消耗容量。本方案在利用金属氧化物层和碳层协同作用在石墨外形成密的碳壳层,可以有效的隔绝电解液与石墨的接触,改善负极SEI膜的稳定性,有助于形成稳定的固体-电解质界面,从而大大提高了石墨负极材料的高温性能。
一种高温锂离子电池石墨负极材料的制备方法,包括以下步骤:
称取石墨、金属化合物加入高速搅拌机中混合均匀;
称取金属化合物与石墨的混合物、碳源一起加入高速搅拌机中,混合搅拌;
在管式炉中充入氮气并加热到500-1000℃,升温速率为1-10℃/min,保温时间2-10h,即可得表面包覆金属氧化物以及碳层的复合负极材料。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、本发明的负极材料利用金属氧化物层和碳层协同作用在石墨外形成密的碳壳层,可以有效的隔绝电解液与石墨的接触,改善负极SEI膜的稳定性,有助于形成稳定的固体-电解质界面,从而大大提高了石墨负极材料的高温性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。
图1为实施例2方法制得的负极材料的扫面电镜图。
图2为实施例2方法制得的负极材料的EDS元素分析图。
图3为实施例2和对比例中得到的石墨负极材料在常温条件下的0.1C充放电曲线图。
图4为实施例2和对比例中得到的石墨负极材料在高温搁置后0.1C充放电曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种高温锂离子电池石墨负极材料,包括由石墨构成的内核和包覆在石墨外的包覆层,包覆层包括由内到外依次设置的金属氧化物层和碳层。
具体的,石墨为造石墨、天然石墨或中间相炭微球,其粒径为1-30μm。
金属氧化物层由金属化合物前驱体烧结而成,所述金属化合物为醋酸铝、异丙醇铝、氢氧化铝、醋酸钴、醋酸铁、氢氧化镍、氧化铝、氧化钨、氧化铜、氧化铁、氧化镍、氧化钛、三氧化二钴中的至少一种或多种。金属氧化物层的粒径为10-500nm,金属氧化物层与石墨的质量比为0.0001-0.03,以增强纳米粒度的金属氧化物的包覆效果,有利于颗粒的分散性以及包覆均一性,包覆效果更好,有利于高温效果的发挥。
碳层是由碳源烧结而成;所述碳源为葡萄糖、蔗糖、高温沥青、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂、聚丙烯腈中的至少一种或多种。石墨与碳层的质量比为0.005-0.1,以利于获得薄且均一的碳层,有利于离子的传导,提高高温动力学性能。
上述锂离子电池石墨负极材料的备方法包括以下步骤:
称取石墨、金属化合物加入高速搅拌机中混合均匀;
称取金属化合物与石墨的混合物、碳源一起加入高速搅拌机中,混合搅拌;
在管式炉中充入氮气并加热到500-1000℃,升温速率为1-10℃/min,保温时间2-10h,即可得表面包覆金属氧化物以及碳层的复合负极材料。
实施例2
基于上述实施例的原理,本实施例公开一具体实施例。
称量1500g人造石墨,该石墨粒度D50=13.58μm,将人造石墨与15.15g氧化铝共同加入高速搅拌机中,搅拌速度为50rmp,搅拌时间30min,混合均匀;将混合后的粉末与38.85g 高温沥青一起加入高速搅拌机中,再次以搅拌速度50rmp,搅拌30min,得到复合负极材料混合物;
对混合物进行热处理,放置于管式炉中,以3°/min升温速率升至1000℃,保温2h,得到表面包覆金属氧化物以及碳层的复合负极材料。采用该方法制得的负极材料的扫面电镜图如图1所示,其EDS元素分析图如图2所示,可以看出氧化铝实现了对材料的均匀包覆。
实施例3
基于实施例1原理,本实施例公开一具体实施例。
称重2kg天然石墨,石墨粒度D50=7.8μm,将天然石墨与氧化镍同时加入高速搅拌机中混合均匀,搅拌速度为60rmp,搅拌时间为60min;将混合后粉末与葡萄糖一同加入高速搅拌机中,搅拌速度为60rpm,搅拌时间为30min,得到复合负极材料混合物;
对混合物进行热处理,放置于管式炉中,以5°/min升温速率升至800℃,保温4h,得到表面包覆金属氧化物以及碳层的复合负极材料。
对比例
称量2kg人造石墨,石墨粒度D50=13.58μm,将人造石墨与38.85g 高温沥青一起加入高速搅拌机中,以搅拌速度50rmp,搅拌30min,得到复合负极材料混合物;对混合物进行热处理,放置于管式炉中,以3°/min升温速率升至1000℃,保温2h,得到表面包覆金属氧化物以及碳层的复合负极材料。
为检测实施例2及对比例制得的负极材料的锂离子电池负极材料的性能,用半电池测试方法测试,用制备好的负极材料∶SBR(固含量50%)∶ CMC∶Super-p=95.5∶2∶1.5∶1(重量比),加适量去离子水调和成浆状,涂布于铜箔上并于真空干燥箱内干燥12小时制成负极片,以聚丙烯微孔膜为隔膜,以锂片为对电极,组装成电池。在LAND电池测试系统进行恒流充放电实验,充放电电压限制在0.005-2.0V,用计算机控制的充放电柜进行数据的采集及控制。在常温条件下的0.1C充放电曲线图(第二圈循环)结果如图3所示;在高温搁置后0.1C充放电曲线图结果如图4所示,对比可以看出,实施例2得到的石墨负极材料容量与图4相比损失很小。
高温性能的测试方法为:将制备好的半电池充满电后,在85℃的恒温箱中静置48h后测试半电池的容量保持率,其测试结果如表1所示,可以看出,实施例2得到的石墨负极材料在高温搁置后电池的容量高,容量保持率较高,约为79.45%;对比例1得到的石墨负极材料在高温搁置后电池的容量小,容量保持率较低,约为23.06%;表明包覆金属氧化物后提高了石墨材料的高温性能。
表1
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高温锂离子电池石墨负极材料,包括由石墨构成的内核和包覆在石墨外的包覆层,其特征在于:所述包覆层包括由内到外依次设置的金属氧化物层和碳层。
2.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述金属氧化物层由金属化合物前驱体烧结而成,所述金属化合物为醋酸铝、异丙醇铝、氢氧化铝、醋酸钴、醋酸铁、氢氧化镍、氧化铝、氧化钨、氧化铜、氧化铁、氧化镍、氧化钛、三氧化二钴中的至少一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述碳层是由碳源烧结而成;所述碳源为葡萄糖、蔗糖、高温沥青、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂、聚丙烯腈中的至少一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述石墨的粒径为1-30μm。
5.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述石墨为造石墨、天然石墨或中间相炭微球。
6.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述石墨与碳层的质量比为0.005-0.1。
7.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述金属氧化物层与石墨的质量比为0.0001-0.03。
8.根据权利要求1所述的一种高温锂离子电池石墨负极材料,其特征在于,所述金属氧化物层的粒径为10-500nm。
9.一种高温锂离子电池石墨负极材料的制备方法,其特征在于,该负极材料为权利要求1至8任一所述的负极材料,其制备方法包括以下步骤:
称取石墨、金属化合物加入高速搅拌机中混合均匀;
称取金属化合物与石墨的混合物、碳源一起加入高速搅拌机中,混合搅拌;
在管式炉中充入氮气并加热到500-1000℃,升温速率为1-10℃/min,保温时间2-10h,即可得表面包覆金属氧化物以及碳层的复合负极材料。
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