CN113511651B - 一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，涉及新能源锂离子电池制造领域。本发明一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，包括石墨的微氧化膨胀和聚吡咯修饰两个实验过程：步骤一、选取石墨，取商业化的人造球形石墨、天然球形石墨、类球形鳞片石墨中一种或多种，粒径D10大小4‑8μm，D50大小13‑17μm，D90小于等于30μm，得到粒度均匀的石墨；步骤二、配制氧化剂。本发明制备方法简单，制备成本低，可重复性高，石墨颗粒表面利于形成稳定的SEI膜，利于降低锂离子电池首次充放电的不可逆容量，能够显著提升负极材料的电子电导率，提高SEI膜稳定性。

Description

一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法
技术领域
本发明属于新能源锂离子电池制造领域，特别是涉及一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法。具体是用于锂离子电池负极材料，实现锂离子电池倍率性能、循环性能、安全性能等的提升。
背景技术
随着新能源行业的蓬勃发展，以锂离子电池为代表的电化学储能器件得成为研究热点。锂离子电池是以嵌锂化合物作为正负极材料的新型高能电池，具有工作电压高、能量密度大、安全性能优良，以及循环使用寿命长等一系列优点，现已实现规模化应用，并且广泛应用于电动汽车动力电池、规模化储能电站、电动工具、3C便携式电子产品等方面。锂离子电池的规模化应用主要得益于电极材料的研究，尤其是石墨负极材料的商业化。但石墨负极材料仍存在以下几个缺点：1、石墨颗粒具有比表面积大，对锂离子电池首次库伦效率有较大影响；2、石墨片层状结构，储能机理是Li+的插层，这决定了Li+只能从石墨材料的断面嵌入，并逐渐扩散至颗粒的内部，由于石墨颗粒的各向异性，Li+扩散路径长且不均匀，导致材料的倍率性能差，容量低；3、石墨层间距离小，增加了Li+的扩散阻力，倍率性能差，而快速充电时Li+易在石墨表面析出，形成锂枝晶，存在安全隐患。
因此，为解决以上固有缺陷，很多研究人员都提出对石墨进行改性处理，目前主要的改性方法有球形化、表面改性和掺杂改性。
现有技术一，如专利号：CN110600715A，一种锂离子电池石墨负极复合材料及其制备方法。该专利号介绍的是一种通过细化石墨颗粒尺寸，缩短锂离子迁移路径，并通过整形处理，提高了材料的球形度，有利于材料各向同性的提升，并改性包覆无定形碳，形成均匀的碳包覆层，降低电化学极化，增强电流性能；改性处理后结构更为稳固，实现石墨负极材料循环性能的提升。
现有技术二，如专利号：CN103693640A，一种低温锂离子电池负极膨胀石墨，主要是将石墨材料与氧化剂、插层剂混合，然后中高温度烧结膨化。
现有技术一存在以下缺陷：通过细化石墨粒径，但是粒径过小，材料的比表面积增大，会明显降低锂离子电池可逆容量；同时其加工性能也会受到明显影响。
现有技术二存在以下缺陷：通过氧化插层，并高温烧结，使得材料的制造成本增加。
本发明是在前人的研究基础上提出的一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨改性材料的制备方法，聚吡咯是一种导电高分子材料，能够有效的提升材料的电子电导率；其次微氧化膨胀，会在石墨颗粒表面形成氧化物层，并以锂离子作为插层剂，这样的材料设计在电极材料的制造工艺——化成过程中能够形成稳定的SEI膜，并提升锂离子的可逆容量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，包括石墨的微氧化膨胀和聚吡咯修饰两个实验过程：
步骤一、选取石墨，取商业化的人造球形石墨、天然球形石墨、类球形鳞片石墨中一种或多种，粒径D10大小4-8μm，D50大小13-17μm，D90小于等于30μm，得到粒度均匀的石墨；
步骤二、配制氧化剂，取30-80mL的浓度为5%-10%双氧水和0.1-1摩尔硝酸锂混合，得到混合，并充分搅拌溶解，标记为A液；
步骤三、配制微氧化膨胀石墨分散液，将步骤二中A液在恒温80℃条件下，加入步骤一中10-20g的石墨，搅拌120min，搅拌均匀，然后缓慢加入5-20mL浓度为10%的盐酸，搅拌，待充分反应后，得到微氧化膨胀石墨分散液；
步骤四、配制聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液，将步骤三中微氧化膨胀石墨分散液转移至0℃冰水浴环境中恒温60min，待整体混合液温度降低至0℃时，持续搅拌，向该混合液中逐滴滴入吡咯单体，搅拌60min，使得吡咯单体能够均匀聚合，得到聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液；
步骤五、吡咯聚合结束后，混合液转移至80℃恒温条件下，搅拌蒸干溶剂，得到目标产物，聚吡咯修饰的微氧化膨胀石墨材料。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备方法简单，可重复性高，对设备要求不高，易规模化应用；
2、本发明制备过程中不采用硫酸、高锰酸钾作为氧化剂、插层剂，不引入对石墨负极有害的杂质元素，保证了石墨极的质量；
3、本发明微氧化膨胀过程中不使用中高温度进行烧结，制成成本低；本发明得到的微氧化膨胀石墨的氧化程度低，膨胀程度也很低，这对石墨负极材料后续的极片加工过程中无影响；
4、本发明经过微氧化膨胀的石墨，其石墨颗粒表面会有很多的官能团，这对形成稳定的SEI膜有利；
5、本发明引入的Li+能够在石墨表面及浅表面聚集，能够降低锂离子电池首次充放电的不可逆容量；
6、本发明中添加有聚吡咯材质，聚吡咯是一种导电高分子材料，能够显著提升负极材料的电子电导率，提高SEI膜稳定性。
附图说明
图1为本发明所述一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法的流程图；
图2为聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨材料实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，包括石墨的微氧化膨胀和聚吡咯修饰两个实验过程：
步骤一、选取石墨，取商业化的人造球形石墨、天然球形石墨、类球形鳞片石墨中一种或多种，粒径D10大小4-8μm，D50大小13-17μm，D90小于等于30μm，得到粒度均匀的石墨；
步骤二、配制氧化剂，取30-80mL的浓度为5%-10%双氧水和0.1-1摩尔硝酸锂混合，得到混合，并充分搅拌溶解，标记为A液；
步骤三、配制微氧化膨胀石墨分散液，将步骤二中A液在恒温80℃条件下，加入步骤一中10-20g的石墨，搅拌120min，搅拌均匀，然后缓慢加入5-20mL浓度为10%的盐酸，搅拌，待充分反应后，得到微氧化膨胀石墨分散液；
步骤四、配制聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液，将步骤三中微氧化膨胀石墨分散液转移至0℃冰水浴环境中恒温60min，待整体混合液温度降低至0℃时，持续搅拌，向该混合液中逐滴滴入吡咯单体，搅拌60min，使得吡咯单体能够均匀聚合，得到聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液；
步骤五、吡咯聚合结束后，混合液转移至80℃恒温条件下，搅拌蒸干溶剂，得到目标产物，如图2所示，聚吡咯修饰的微氧化膨胀石墨材料。
实施例二
一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，包括石墨的微氧化膨胀和聚吡咯修饰两个实验过程：
步骤一、选取石墨，取商业化的人造球形石墨、天然球形石墨、类球形鳞片石墨中一种或多种，粒径D10大小4-8μm，D50大小13-17μm，D90小于等于30μm，得到粒度均匀的石墨；
步骤二、配置氧化剂，取50mL的浓度为5%双氧水和1摩尔硝酸锂混合，得到混合，并充分搅拌溶解，标记为A液；
步骤三、配制微氧化膨胀石墨分散液，将步骤二中A液50mL在恒温80℃条件下，加入12g步骤一中的石墨，并搅拌120min，搅拌均匀，然后缓慢加入浓度为10%的盐酸10mL，搅拌，待充分反应后，得到微氧化膨胀石墨分散液；
步骤四、配制聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液，将步骤三中微氧化膨胀石墨分散液恒温0℃冰水浴环境中恒温60min，待整体混合液温度降低至0℃时，持续搅拌，并向该混合液中滴入吡咯单体6.7g，恒温搅拌60min，使得吡咯单体能够均匀聚合，得到聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液；
步骤五、吡咯聚合结束后，混合液转移至80℃恒温条件下，搅拌蒸干溶剂，得到目标产物，聚吡咯修饰的微氧化膨胀石墨材料；
步骤六、将步骤五中聚吡咯修饰的微氧化膨胀石墨材料与导电炭黑、粘结剂LA133按照8:1:1的比例研磨成混合浆料，然后用50μm的刮刀刮涂在洁净的铜箔上，烘干后，辊压至26μm厚度，然后用裁片机将极片裁制成直径φ14mm的圆形极片，120℃真空烘烤24h，最后以锂箔为对电极，Celgard 2400隔膜，用CR2032电池壳，弹簧片、钢片填充，组装成扣式电池，测试其电化学性能。
对比例一
一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨改性材料的制备方法，包括石墨的微氧化膨胀和聚吡咯修饰两个实验过程：
步骤一、选取石墨，取商业化的人造球形石墨、天然球形石墨、类球形鳞片石墨中一种或多种，粒径D10大小4-8μm，D50大小13-17μm，D90小于等于30μm，得到粒度均匀的石墨；
步骤二、配置氧化剂，取50mL的浓度为5%双氧水和1摩尔硝酸锂混合，得到混合，并充分搅拌溶解，标记为A液；
步骤三、配制微氧化膨胀石墨分散液，将步骤二中A液50mL在恒温80℃条件下，加入12g步骤一中的石墨，并搅拌120min，搅拌均匀，然后缓慢加入浓度为10%的盐酸10mL，搅拌，待充分反应后，得到微氧化膨胀石墨分散液；
步骤四、将步骤三中微氧化膨胀石墨混合液转移至80℃恒温条件下，搅拌蒸干溶剂，得到微氧化膨胀石墨材料；
步骤五、将上述微氧化膨胀石墨，与导电炭黑、粘结剂LA133按照8:1:1的比例研磨成混合浆料，然后用50μm的刮刀刮涂在洁净的铜箔上，烘干后，辊压至26μm厚度，然后用裁片机将极片裁制成直径φ14mm的圆形极片；120℃真空烘烤24h，最后以锂箔为对电极，Celgard 2400隔膜，用CR2032电池壳，弹簧片、钢片填充，组装成扣式电池，测试其电化学性能。
对比例二
一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨改性材料的制备方法，包括取商业化石墨材料和组装成扣式电池两个实验过程：
步骤一：取商业化的人造球形石墨，粒径D50为13-17μm，D90为30μm，选取粒度均匀的石墨；
步骤二：将步骤一中商业化球形石墨，与导电炭黑、粘结剂LA133按照8:1:1的比例研磨成混合浆料，然后用50μm的刮刀刮涂在洁净的铜箔上，烘干后，辊压至26μm厚度，然后用裁片机将极片裁制成直径φ14mm的圆形极片，120℃真空烘烤24h，最后以锂箔为对电极，Celgard 2400隔膜，用CR2032电池壳，弹簧片、钢片填充，组装成扣式电池，测试其电化学性能。
对比实验结果：
实验实例 首次库伦效率 0.1C容量（mAh/g） 0.5C容量（mAh/g） 1C容量（mAh/g） 100周循环容量保持率（1C-1C）
实施例二 94% 350 348 341 97%
对比例一 93% 347 343 337 96%
对比例二 91% 345 339 336 93%
实验结果表明聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨能够明显的的提高材料的首次充放电效率、倍率性能和循环性能；这是因为聚吡咯吸附的Li能够减少活性锂在首次循环过程中的损失，同时聚吡咯具有良好的电子电导性和锂离子电导性，能够降低石墨的极化，增加锂离子扩散速率从而提高材料的倍率性能。
本发明，首先将人造球形石墨与双氧水、盐酸、硝酸锂按比例混合，配制成分散均匀的混合浆料，然后在80℃恒温水域下搅拌蒸发干溶剂，制备得到微氧化膨胀石墨；然后取上述制备得到的微氧化膨胀石墨分散在乙醇溶液中，然后加入适量双氧水，搅拌分散均匀，然后加入纯净的吡咯单体，在0℃冰水恒温水域中搅拌，实现吡咯单体的聚合反应，并在石墨表面上形成聚吡咯修饰改性。研究表明，石墨层间距的微扩大，有利于提高石墨负极材料的结构稳定性，改善其电化学循环寿命，同时也能提高锂离子的固相扩散速率，改善石墨负极的倍率充放电性能，即本发明引入的Li+能够在石墨表面及浅表面聚集，能够降低锂离子电池首次充放电的不可逆容量。本发明制备方法简单，可重复性高，对设备要求不高，易规模化应用；本发明制备过程中不采用硫酸、高锰酸钾作为氧化剂、插层剂，不引入对石墨负极有害的杂质元素，保证了石墨极的质量；本发明微氧化膨胀过程中不使用中高温度进行烧结，制成成本低；本发明得到的微氧化膨胀石墨的氧化程度低，膨胀程度也很低，这对石墨负极材料后续的极片加工过程中无影响；本发明经过微氧化膨胀的石墨，其石墨颗粒表面会有很多的官能团，这对形成稳定的SEI膜有利；本发明中添加有聚吡咯材质，聚吡咯是一种导电高分子材料，能够显著提升负极材料的电子电导率，提高SEI膜稳定性。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨负极材料的制备方法，其特征在于：包括石墨的微氧化膨胀和聚吡咯修饰两个实验过程：
步骤一、选取石墨，取商业化的人造球形石墨、天然球形石墨、类球形鳞片石墨中一种或多种，粒径D10大小4-8μm，D50大小13-17μm，D90小于等于30μm，得到粒度均匀的石墨；
步骤二、配制氧化剂，取30-80mL的浓度为5%-10%双氧水和0.1-1摩尔硝酸锂混合，得到混合，并充分搅拌溶解，标记为A液；
步骤三、配制微氧化膨胀石墨分散液，将步骤二中A液在恒温80℃条件下，加入步骤一中10-20g的石墨，搅拌120min，搅拌均匀，然后缓慢加入5-20mL浓度为10%的盐酸，搅拌，待充分反应后，得到微氧化膨胀石墨分散液；
步骤四、配制聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液，将步骤三中微氧化膨胀石墨分散液转移至0℃冰水浴环境中恒温60min，待整体混合液温度降低至0℃时，持续搅拌，向该混合液中逐滴滴入吡咯单体，搅拌60min，使得吡咯单体能够均匀聚合，得到聚吡咯修饰微氧化膨胀石墨混合液；
步骤五、吡咯聚合结束后，混合液转移至80℃恒温条件下，搅拌蒸干溶剂，得到目标产物，聚吡咯修饰的微氧化膨胀石墨材料。
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