一种沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料及其制备方法.pdf

本发明公开了一种锂离子电池石墨负极材料的制备方法。本材料采用沥青对天然石墨球表面进行包覆，再进行石墨化使材料具有核壳结构，不仅能提升天然石墨的性能并能够大大降低该材料的制造成本。该材料的制造过程：将沥青与洗油的混合液和球化处理后的天然石墨以沥青∶球化石墨＝1∶9～5∶5的质量比例混合均匀，混合温度为常温，并在-0.1MPa～0MPa条件下搅拌均匀，制得的混合液在常温下过滤，将所得的滤饼干燥，在保护气氛下炭化，石墨化，最后粉碎、分级，得到包覆石墨。该负极材料生产简单，产品性价比高，循环稳定性好，适合于锂离子二次电池的应用。

1.  该锂离子电池负极材料的制造过程为沥青混合洗油后形成的混合液与球化天然石墨在负压状态下混合均匀并将沥青与洗油的混合液充分浸渍到球化天然石墨，然后将该混合物过滤，过滤后的滤饼再炭化或石墨化，或先炭化后石墨化，得到沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料。

2.  根据权利要求1所述的沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：球化天然石墨与沥青混合液浸渍温度为常温(20～30℃)，并在-0.1MPa～0MPa条件下搅拌并均匀浸渍。

3.  根据权利要求2所述沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：沥青混合液为沥青与洗油的混合液，其中沥青可以是煤或者石油副产物的沥青，可以是上述二者中的中温沥青或者改质沥青，沥青与球化天然石墨的质量比为：沥青∶球化石墨＝1∶9～5∶5。

4.  根据权利要求3所述的沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：沥青与洗油形成的混合液与球化天然石墨的质量比为1∶9～9∶1。

5.  根据权利要求1所述沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：球化天然石墨与沥青混合液过滤温度是常温(20～30℃)。

6.  根据权利要求1所述沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：球化天然石墨的平均粒径在3～35μm，振实密度为0.6～1.05g/cm³及比表面积为2.0～8.0m²/g。

一种沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子二次电池的沥青包覆石墨的负极材料及其制备方法。
背景技术
自从锂离子电池问世以来，其负极材料一直作为材料研究的热点。目前商业化使用的锂离子电池负极材料均为碳材料，主要是石油焦炭和石墨类材料，其中天然石墨因其高的充放电容量、良好的充放电平台、来源广泛、成本低而得到广泛应用。但由于天然石墨的石墨化程度较高，碳微晶的边缘和底面之间的晶体结构及其它物理化学性能差别较大，与电解液反应的不均匀性较强，而电解液的分解反应主要发生在碳微晶的边缘部分。导致生成的钝化膜的致密性和均匀性较差，在充电过程中，易发生溶剂化锂离子的共嵌入，引起石墨层的膨胀和崩溃，增大了不可逆容量。此外天然石墨经过物理或化学方法处理后，存在着与极板的粘结性能差的缺点，循环充放电过程中易于从极板上脱落，影响了循环寿命，尤其是降低了大电流充放电时的循环寿命。此外，作为锂离子电池的负极材料，为使锂离子的嵌入-脱出反应顺利进行，须将石墨粉碎至100微米以下，而石墨作为一种润滑材料，易于发生层间滑动，造成石墨在粉碎过程中产生晶体结构的改变和破坏，从而影响了石墨材料的充放电容量和大电流充放电性能。
基于上述原因，需要对石墨进行改性处理，以保证首次充放电效率和循环性能。常见的改性方法有氧化、包覆、镀膜、掺杂，其中包覆法在效果和工业化实现上具有比较优势。该工艺制得的负极材料生产工艺简单、成本低廉、性能稳定、循环寿命长。
发明内容
本发明提供了一套制备锂离子电池负极材料的方法，本发明制作工艺简单，易于控制；成本低廉，质量稳定。
本发明的产物为一种锂离子电池石墨负极材料，所述负极材料为沥青包覆球化石墨，其粒度D(50)在12～25μm之间，石墨层间距在0.335至0.345nm之间。得到的负极材料充分发挥了天然石墨和人造石墨各自的优点，以此材料作负极的锂离子二次电池放电容量高，循环性能优良和具有较低的生产成本，且工艺简单，易于工业化。
本发明的沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料采用以下制备方法：(1)沥青与洗油的混合液和球化天然石墨以1∶9～5∶5的质量比例混合均匀；(2)混合温度为常温，并在-0.1MPa～0MPa条件下搅拌均匀；(3)制得的混合液在常温下过滤，将所得的滤饼干燥，在保护气氛下炭化，石墨化，最后粉碎、分级，得到包覆石墨。
本发明的球化天然石墨的平均粒径在3～35μm，振实密度为0.6～1.05g/cm³及2.0～8.0m²/g的比表面积。
本发明的沥青与洗油的混合液为沥青与洗油的混合液，沥青所占体积比例为10％～50％。
本发明的球化天然石墨与沥青与洗油的混合液质量比为1∶9～9∶1。
本发明的球化天然石墨与沥青与洗油的混合液混合温度为室温，并在-0.1MPa～0MPa条件下搅拌均匀。
本发明的球化天然石墨与沥青与洗油的混合液过滤温度是常温(20～30℃)。
本发明的过滤后的滤饼在80℃～300℃条件下干燥处理。
附图说明
图1是本发明沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的电镜照片。
具体实施方式
实施例1在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入20g中温沥青，在常温，-0.1MPa压力条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.90g/cm³，粒度D50＝16.1μm，比表面积为5.8m²/g，保持常温，-0.1MPa压力环境进行充分的搅拌2小时，混合液过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
实施例2在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入30g中温沥青，在常温，-0.1MPa压力条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.90g/cm³，粒度D50＝16.1μm，比表面积为5.8m²/g，保持常温，-0.1MPa压力坏境进行充分的搅拌2小时，混合液过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
实施例3在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入10g中温沥青，在常温，-0.1MPa压力条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.90g/cm³，粒度D50＝16.1μm，比表面积为5.8m²/g，保持常温，-0.1MPa压力环境进行充分的搅拌2小时，混合液过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
实施例4在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入20g中温沥青，在常温，-0.05MPa压力条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.90g/cm³，粒度D50＝16.1μm，比表面积为5.8m²/g，保持常温，-0.05MPa压力环境进行充分的搅拌2小时，混合液过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
实施例5在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入20g中温沥青，在常温，常压条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.90g/cm³，粒度D50＝16.1μm，比表面积为5.8m²/g，保持常温，常压环境进行充分的搅拌2小时，混合液过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
实施例6在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入20g中温沥青，升温至120℃并在-0.1MPa压力条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.90g/cm³，粒度D50＝16.1μm，比表面积为5.8m²/g，保持120℃，-0.1MPa压力环境进行充分的搅拌2小时，混合液热过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
实施例7在500mL容器内，加入200g的洗油，再加入20g中温沥青，在常温，-0.1MPa压力条件下搅拌至沥青完全溶解后，徐徐加入100g球化天然石墨，球化天然石墨的振实密度为0.96g/cm³，粒度D50＝30μm，比表面积为4.4m²/g，保持常温，-0.1MPa压力环境进行充分的搅拌2小时，混合液过滤后，得到的滤饼在120℃条件下干燥，在惰性气氛氮气(N₂)下，升温至1100℃，恒温2小时后，降温至100℃以下，取出，经粉碎、分级后即可得用作锂离子电池负极的材料。
物理性能测试1.比表面积采用氮气置换的BET法测出。2.平均粒径由英国Malvern-Mastersizer 2000激光粒度分析仪测出。3.振实密度采用北京钢铁研究总院生产的FZS4-4振实密度仪测得。4.晶体层间距由日本理学电机D/Max 2500V/PC X-射线(粉末)衍射仪测出。5.扫描电镜由PHILIPS XL-30 ESEM观察(见图1)。
电化学性能测试分别将实施例1至实施例7中制得的锂离子电池负极材料添加粘结剂、增稠剂及溶剂，进行搅拌制浆，涂覆在铜箔上，经过烘干、碾压制得。所用粘结剂可以是溶于N-甲基吡咯烷酮的聚偏氟乙烯(PVDF)、水溶性的丁苯橡胶乳(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)。所用正极材料可以是含锂离子的各种复合氧化物，如：LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₂。所用电解液是LiPF₆/EC+EMC+DMC(1∶1∶1)，金属锂片为对电极，隔膜采用聚乙烯(PF)、聚丙烯(PP)或聚乙丙烯(PEP)复合膜，模拟电池装配在充氩气的手套箱中进行，电化学性能在武汉兰电CT2001A型电池测试仪上进行，充放电电压范围为0至2.0V，充放电速率为0.5C，测试结果列于表1。
表1沥青包覆石墨的锂离子电池负极材料的性能测试结果