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一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料及其制备方法，尺寸可控的多孔球形化可增加材料各向同性，有效提高材料堆积密度，增强活性物质与集流体的结合力、增强复合材料的电极加工性能，还具备优异的流动性、分散性，十分利于制作电极材料浆料和电极片的涂覆，提高电极片质量，使得极片压实密度增大、降低了极片的反弹，从而增大电池的充放电容量，减小内阻，降低极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率。

Description

一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料及其制备方法。
背景技术
石墨具有六边形的层状晶体结构，每层中碳原子以σ键和π键相连，而层层之间又靠范德华力相结合，这种层间力作用小且层间距较大(0.3354nm)结构，使得一些原子、基团或离子容易插入层间形成石墨层间化合物(GICs)，因此做为负极材料具有很高的比能量，同时具有良好的导电性，结晶度高，成本低，理论嵌锂容量高，充放电电位低且平坦。
但是，石墨也存在一些缺点，如与电解液相容性差，首次充放电可逆容量低，不适合大电流充放电，循环稳定性差。随着人们对纯电动汽车和混合动力汽车的需求日益增加，在追求锂电池的高容量性能的同时，也对快充性能提出了极高的要求。在动力电池工艺中，为了实现更高的能量密度，提高了极片压实密度和涂覆面密度，这使电池的快充性能受到了极大的负面影响。因此，开发一种高容量、高压实的快充石墨极为重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料及其制备方法，该材料增大电池的充放电容量，减小内阻，降低极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率。
本发明采用如下技术方案：
一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
采用水解法，以含硅的有机酯作为原料，在碱性条件下的酒精水溶液中水解形成二氧化硅纳米微球；
把一定质量分数的胶状二氧化硅水溶液和正十六烷微乳液混合，并添加表面活性剂，混合在体积比为1:10的溶液中，以恒定角速度使用磁力搅拌一段时间使之乳化，形成纳米二氧化硅的混合乳液；
在恒温条件下凝结，水分蒸发后纳米二氧化硅颗粒自组装形成胶状结晶，最终形成二氧化硅胶状晶体；
使用乙烷将二氧化硅胶状晶体的正十六烷微乳液洗涤干净，然后在空气中以一定的高温煅烧若干小时，获得二氧化硅胶状晶体球模板；
使用石油焦经机械粉碎整形，得到粉体材料后，将粉体材料缓慢地加入到一定量的分散介质乙醇中，并用电动搅拌器搅拌，得到混合均匀的前驱体；
把前驱体分散液注入上述的二氧化硅胶状晶体球模板超声浸渍；
将上述产物在真空度为-0.09MPa条件下抽真空，让其内部慢慢渗透，保压时间为30min，泄压后搁置15min；
将混合溶液过滤使固液分离，固体部分放入高温石墨化炉煅烧得到石墨化材料和二氧化硅胶状晶体球模板的复合物；
将上述复合物使用NaOH溶液溶解除去二氧化硅胶状晶体球模板后过滤、干燥、筛分得到目标产物。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述采用水解法，以含硅的有机酯作为原料，在碱性条件下的酒精水溶液中水解形成二氧化硅纳米微球步骤中，所述含硅的有机酯为TEOS。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述使用石油焦经机械粉碎整形，得到粉体材料后，将粉体材料缓慢地加入到一定量的分散介质乙醇中，并用电动搅拌器搅拌，得到混合均匀的前驱体步骤中，所述粉体材料的平均粒径为15μ m。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述把前驱体分散液注入上述的二氧化硅胶状晶体球模板超声浸渍步骤中，所述超声浸渍的时间为4h。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述将混合溶液过滤使固液分离，固体部分放入高温石墨化炉煅烧得到石墨化材料和二氧化硅胶状晶体球模板的复合物步骤中，所述煅烧的温度为2000-3000℃。
一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料，所述高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料使用上述制备方法制得。
本发明的有益效果为：
本发明的负极材料的球状结构有利于实现紧密堆积，提高极片压实，从而可制备高能量密度电极；表面光滑和低的比表面积可以减少在充电过程中电极表面副反应的发生，减少SEI膜的生成，提高与电解液相溶性，从而降低第一次充电过程中的库仑损失，球形片层结构使Li+可以从球的各个方面插入和脱嵌，解决了石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片层溶胀、塌陷和不能快速大电流充放电的问题。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
采用水解法，以含硅的有机酯作为原料，在碱性条件下的酒精水溶液中水解形成二氧化硅纳米微球；
把一定质量分数的胶状二氧化硅水溶液和正十六烷微乳液混合，并添加表面活性剂，混合在体积比为1:10的溶液中，以恒定角速度使用磁力搅拌一段时间使之乳化，形成纳米二氧化硅的混合乳液；
在恒温条件下凝结，水分蒸发后纳米二氧化硅颗粒自组装形成胶状结晶，最终形成二氧化硅胶状晶体；
使用乙烷将二氧化硅胶状晶体的正十六烷微乳液洗涤干净，然后在空气中以一定的高温煅烧若干小时，获得二氧化硅胶状晶体球模板；
使用石油焦经机械粉碎整形，得到粉体材料后，将粉体材料缓慢地加入到一定量的分散介质乙醇中，并用电动搅拌器搅拌，得到混合均匀的前驱体；
把前驱体分散液注入上述的二氧化硅胶状晶体球模板超声浸渍；
将上述产物在真空度为-0.09MPa条件下抽真空，让其内部慢慢渗透，保压时间为30min，泄压后搁置15min；
将混合溶液过滤使固液分离，固体部分放入高温石墨化炉煅烧得到石墨化材料和二氧化硅胶状晶体球模板的复合物；
将上述复合物使用NaOH溶液溶解除去二氧化硅胶状晶体球模板后过滤、干燥、筛分得到目标产物。
在所述采用水解法，以含硅的有机酯作为原料，在碱性条件下的酒精水溶液中水解形成二氧化硅纳米微球步骤中，所述含硅的有机酯为TEOS。
在所述使用石油焦经机械粉碎整形，得到粉体材料后，将粉体材料缓慢地加入到一定量的分散介质乙醇中，并用电动搅拌器搅拌，得到混合均匀的前驱体步骤中，所述粉体材料的平均粒径为15μm。
在所述把前驱体分散液注入上述的二氧化硅胶状晶体球模板超声浸渍步骤中，所述超声浸渍的时间为4h。
在所述将混合溶液过滤使固液分离，固体部分放入高温石墨化炉煅烧得到石墨化材料和二氧化硅胶状晶体球模板的复合物步骤中，所述煅烧的温度为 2000-3000℃。
一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料，所述高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料使用上述制备方法制得。
尺寸可控的多孔球形化可增加材料各向同性，有效提高材料堆积密度，增强活性物质与集流体的结合力、增强复合材料的电极加工性能，还具备优异的流动性、分散性，十分利于制作电极材料浆料和电极片的涂覆，提高电极片质量，使得极片压实密度增大、降低了极片的反弹，从而增大电池的充放电容量，减小内阻，降低极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率。
本发明的负极材料的球状结构有利于实现紧密堆积，提高极片压实，从而可制备高能量密度电极；表面光滑和低的比表面积可以减少在充电过程中电极表面副反应的发生，减少SEI膜的生成，提高与电解液相溶性，从而降低第一次充电过程中的库仑损失，球形片层结构使Li+可以从球的各个方面插入和脱嵌，解决了石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片层溶胀、塌陷和不能快速大电流充放电的问题。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用水解法，以含硅的有机酯作为原料，在碱性条件下的酒精水溶液中水解形成二氧化硅纳米微球；
把一定质量分数的胶状二氧化硅水溶液和正十六烷微乳液混合，并添加表面活性剂，混合在体积比为1:10的溶液中，以恒定角速度使用磁力搅拌一段时间使之乳化，形成纳米二氧化硅的混合乳液；
在恒温条件下凝结，水分蒸发后纳米二氧化硅颗粒自组装形成胶状结晶，最终形成二氧化硅胶状晶体；
使用乙烷将二氧化硅胶状晶体的正十六烷微乳液洗涤干净，然后在空气中以一定的高温煅烧若干小时，获得二氧化硅胶状晶体球模板；
使用石油焦经机械粉碎整形，得到粉体材料后，将粉体材料缓慢地加入到一定量的分散介质乙醇中，并用电动搅拌器搅拌，得到混合均匀的前驱体；
把前驱体分散液注入上述的二氧化硅胶状晶体球模板超声浸渍；
将上述产物在真空度为-0.09MPa条件下抽真空，让其内部慢慢渗透，保压时间为30min，泄压后搁置15min；
将混合溶液过滤使固液分离，固体部分放入高温石墨化炉煅烧得到石墨化材料和二氧化硅胶状晶体球模板的复合物；
将上述复合物使用NaOH溶液溶解除去二氧化硅胶状晶体球模板后过滤、干燥、筛分得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，其特征在于，在所述采用水解法，以含硅的有机酯作为原料，在碱性条件下的酒精水溶液中水解形成二氧化硅纳米微球步骤中，所述含硅的有机酯为TEOS。
3.根据权利要求1所述的高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，其特征在于，在所述使用石油焦经机械粉碎整形，得到粉体材料后，将粉体材料缓慢地加入到一定量的分散介质乙醇中，并用电动搅拌器搅拌，得到混合均匀的前驱体步骤中，所述粉体材料的平均粒径为15μm。
4.根据权利要求1所述的高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，其特征在于，在所述把前驱体分散液注入上述的二氧化硅胶状晶体球模板超声浸渍步骤中，所述超声浸渍的时间为4h。
5.根据权利要求1所述的高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料的制备方法，其特征在于，在所述将混合溶液过滤使固液分离，固体部分放入高温石墨化炉煅烧得到石墨化材料和二氧化硅胶状晶体球模板的复合物步骤中，所述煅烧的温度为2000-3000℃。
6.一种高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料，其特征在于，所述高容量高压实低反弹多孔球型碳负极材料使用如权利要求1-5任一项所述的制备方法制得。
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