CN111320170B - 一种石墨材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种石墨材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨材料及其制备方法和用途，包括以下步骤：将原料焦磨粉，然后进行石墨化热处理，将石墨化热处理后所得到的结块的石墨材料打碎、混料、筛分，得到所述石墨材料；其中，所述石墨化热处理的温度为2500‑3200℃，所述混料、筛分后得到的所述石墨材料的粒径为17‑70微米。所述的制备方法通过提升石墨化温度和改变最终得到的石墨材料的成品粒径，使得所制备的石墨材料的热传导系数和热扩散系数都有较大提升，同时用该材料制备成全电池，发现全电池的倍率温升有很大的改善，提高了锂离子电池应用过程中的安全性能。

Description

一种石墨材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体而言，涉及一种石墨材料及其制备方法和用途。
背景技术
随着锂离子电池应用技术的不断发展，锂离子电池在各个领域都有较大范围的应用，但如果因为电池在使用过程中出现温升过高、而带来重大的安全隐患，对用户的使用体验大打折扣、同时对用户的使用安全带来较大的不利影响。尤其锂离子电池应用在车用设备上，其安全隐患更加不容小觑。
为了避免锂离子电池温升过高，从负极石墨材料角度出发，开发出导热快、能够把锂离子电池内部热量及时散发出来的材料具有十分重要的意义。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明所提供的一种石墨材料的制备方法，所述的制备方法通过提升石墨化温度和改变最终得到的石墨材料的成品粒径，使得所制备的石墨材料的热传导系数和热扩散系数都有较大提升，同时用该材料制备成全电池，发现全电池的倍率温升有很大的改善，提高了锂离子电池应用过程中的安全性能。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种石墨材料的制备方法，包括以下步骤：
将原料焦磨粉，然后进行石墨化热处理，将石墨化热处理后所得到的结块的石墨材料打碎、混料、筛分，得到所述石墨材料；
其中，所述石墨化热处理的温度为2500-3200℃，优选的温度为2900-3200℃；
所述混料、筛分后得到的所述石墨材料的粒径为17-70微米，优选为18-30微米，更优选为22-28微米。
优选的，所述原料焦选自石油焦、针状焦和沥青焦中的一种或者几种的组合。
优选的，所述石油焦的挥发分在1％-10％，更优选为2％-6％。
优选的，所述针状焦的挥发分在1％-10％，更优选为2％-6％。
优选的，所述沥青焦的挥发分在1％-10％，更优选为2％-6％。
优选的，所述磨粉后材料的粒径范围为5-100微米，更优选为10-50微米。
优选的，所述石墨化热处理的保温时间大于等于35小时，更优选为35-50小时。
优选的，采用内串炉设备进行所述石墨化热处理操作。
一种所述的石墨材料的制备方法所制备的石墨材料。
一种所述的石墨材料在制备锂离子电池负极材料中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本申请所提供的制备方法通过提升石墨化温度和改变最终得到的石墨材料的成品粒径，使得所制备的石墨材料的热传导系数和热扩散系数都有较大提升。
(2)本申请所提供的石墨材料所制备的锂离子电池，其对倍率充放过程中的温升有很大改善，提高了锂离子电池应用过程中的安全性能。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明所提供的一种石墨材料的制备方法，包括以下步骤：
将原料焦磨粉，然后进行石墨化热处理，将石墨化热处理后所得到的结块的石墨材料打碎、混料、筛分，得到所述石墨材料；
其中，所述石墨化热处理的温度为2500-3200℃(例如2500℃、2600℃、2700℃、2800℃、2900℃、3000℃、3100℃、3200℃)，优选的温度为2900-3200℃；
所述混料、筛分后得到的所述石墨材料的粒径为17-70(例如17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70)微米，优选为18-30微米，更优选为22-28微米。
锂离子电池温升高可能为车用电池带来较大的安全隐患，从各个方面降低电池的温升，都能够提高电池在使用过程中的安全性能。本申请从负极材料方面出发，改善了石墨材料制备过程中的一些参数，提升石墨化温度到2500-3200℃，优选为2900-3200℃，将石墨成品粒径提升17-70微米，优选为18-30微米，更优选为22-28微米后，材料本身的热传导系数和热扩散系数都有较大提升，同时用该材料制备成全电池，发现全电池的倍率温升有很大的改善。
在本发明一些优选的实施例中，本申请所提供的方法适用于不同类型的原料，所述原料焦选自石油焦、针状焦和沥青焦中的一种或者几种的组合。
在本发明一些优选的实施例中，所述石油焦的挥发分在1％-10％(例如2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％)，更优选为2％-6％。
在本发明一些优选的实施例中，所述针状焦的挥发分在1％-10％(例如2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％)，更优选为2％-6％。
在本发明一些优选的实施例中，所述沥青焦的挥发分在1％-10％(例如2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％)，更优选为2％-6％。
在本发明一些优选的实施例中，所述磨粉后材料的粒径范围为5-100微米(例如10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、55微米、60微米、65微米、70微米、75微米、80微米、85微米、90微米、95微米)为方便后续的石墨化和最终成品粒径，更优选为10-50微米。
在本发明一些优选的实施例中，所述石墨化热处理的保温时间大于等于35小时，更优选为35-50小时。
在本发明一些优选的实施例中，采用内串炉设备进行所述石墨化热处理操作。
本发明所提供的一种所述的石墨材料的制备方法所制备的石墨材料。
本发明所提供的一种所述的石墨材料在制备锂离子电池负极材料中的用途。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1.1磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为18微米；
1.2石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度2500℃；
1.3打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在20微米左右。
1.4混料、筛分操作：将不同批次打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在18微米。
实施例2
2.1磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为18微米；
2.2石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度2700℃；
2.3打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在20微米左右。
2.4混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在18微米。
实施例3
3.1磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为18微米；
3.2石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度2900℃；
3.3打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在20微米左右。
3.4混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在18微米。
实施例4
4.1磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为18微米；
4.2石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度3100℃；
4.3打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在20微米左右。
4.4混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在18微米。
实施例5
5.1磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为20微米；
5.2石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度3100℃；
5.3打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在22微米左右。
5.4混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在20微米。
实施例6
6.1磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为22微米；
6.2石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度3100℃；
6.3打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在24微米左右。
6.4混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在22微米。
对比例
(1)磨粉操作：将原料石油焦(挥发分5％)，经过机械磨粉到D50为15微米；
(2)石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度2300℃；
(3)打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在17微米左右。
(4)混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在15微米。
实验例1导热性能测试
用激光导热仪测试：由激光源在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品材料下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高。热量由热端向冷端传播，并由检测器检测温升，得到温度T随时间t的变化关系，得到试样上表面温度升高到最大值TM的一半时所需要的时间t1/2，根据Fourier传热方程计算得到材料的热扩散系数，α＝0.13879L2/t1/2，λ＝α×Cp×ρ。
热传导系数可以根据比热容和密度计算，实验测试结果见表1。
表1导热性能测试结果
样品 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例
热扩散系数(mm<sup>2</sup>/s) 30 50 80 120 176 180 17
热传导系数(W/m·K) 35 78 99 102 209 250 29
实验结果表明，提升热处理温度(从2500℃到3100℃)和增加成品粒径(从18微米到22微米)，均对材料的导热性能有所提升，与对比例相比较，同时增加石墨化温度和成品粒径，对材料的导热性能改善效果更突出，有增益作用。
实验例2全电制备和温升测试
将实施例1-6和对比例所提供的材料进行全电制备和温升测试，结果如表2所示：
表2全电制备和温升测试结果
Figure BDA0002401008650000091
实验结果表明，提升石墨化温度及增加材料成品粒径对材料的温升有一定的改善作用，但应该同时考虑提升石墨化温度及粒径所带来的负面作用，如倍率性能下降等结果。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (3)

1.一种石墨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)磨粉操作：将挥发分5％的原料石油焦，经过机械磨粉到D50为22微米；
(2)石墨化操作：将磨粉后材料放入到内串炉设备中进行高温热处理，温度3100℃；
(3)打碎操作：将结块石墨材料进行打碎成小颗粒材料，材料粒径D50在24微米；
(4)混料、筛分操作：将打碎后的石墨材料进行混料、筛分处理，除掉大颗粒，筛网为300目，得到的石墨材料的粒径分布D50在22微米。
2.根据权利要求1所述的石墨材料的制备方法所制备的石墨材料。
3.根据权利要求2所述的石墨材料在制备锂离子电池负极材料中的用途。
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