一種經濟型動力鋰離子電池負極材料及其製備方法與流程
2023-12-05 10:42:01
本發明屬於鋰離子電池負極材料的合成技術領域，具體涉及一種經濟型動力鋰離子電池負極材料及其製備方法。
背景技術：
鋰離子電池由於比能量高、體積小、質量輕、無記憶效應和綠色環保等優點，已經成為未來新能源汽車的首選電源。隨著電動汽車市場的迅猛發展，動力鋰離子電池對負極材料的性能和成本提出了越來越高的要求。目前，鋰離子電池多以碳材料作為負極材料，碳類負極材料中有中間相碳微球（MCMB）、石墨以及無定形碳，其中，石墨材料是近年來鋰離子電池研究的重點之一。石墨材料可以分為人造石墨和天然石墨兩種，天然石墨雖然容量較高但循環性能較差，人造石墨相對於天然石墨的石墨化度較低導致容量較低且倍率性能不及MCMB而使其使用受限。
申請號為201410853509.0的中國專利公開了用焦炭為原料經處理得到了一種具有外部硬碳外殼、內部顆粒團聚的石墨類材料，為二次啟動鋰離子電池負極材料，提高了負極材料放電倍率性能並改善負極材料的低溫性能，但是這種材料需要經過兩次高溫處理從而增大了成本而造成使用領域受限。申請號為201410056212.1的中國專利公開了使用高純石墨粉為原料，通過造粒後高溫處理得到了一種負極材料使得石墨顆粒的端面比例得到提高，材料表現出較好的大電流充放電性能，但在破碎處理時破壞了顆粒包覆層又使得材料的性能下降。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是提供了一種比容量較高且倍率性能好的經濟型動力鋰離子電池負極材料及其製備方法，該方法製得的負極材料能夠應用於動力鋰離子電池負極，製備過程中所使用的人造石墨原材料選自石墨化石油焦或石墨化瀝青焦中的一種或多種，是生產石墨化電極的過程中產生的保溫料，作為石墨化生產的副產品具有價格低廉的優勢，用於鋰離子電池的負極時具有循環性能和倍率性能較好的優點，其缺點是比表面積偏大、容量較低，在經過本發明的合成工藝後降低了負極材料的比表面積，提高了負極材料的容量和倍率性能，能夠更好地應用於動力鋰離子電池中。
本發明為解決上述技術問題採用如下技術方案，一種經濟型動力鋰離子電池負極材料的製備方法，其特徵在於具體步驟為：
步驟（1），將石墨原料先進行機械粉碎機粉碎並整形分級處理得到平均粒徑為2～12μm的前驅體石墨粉；
步驟（2），將步驟（1）得到的前驅體石墨粉進行純化處理，再置於洗滌設備內加水洗滌至pH值呈中性，然後脫水烘乾得到石墨粉；
步驟（3），將步驟（2）得到的石墨粉加入到混合機中，加入粘合劑和添加劑，加熱至50～500℃進行混合處理後冷卻或者直接進行混合處理得到混合物料，其中粘合劑為高溫瀝青，其軟化點為150～280℃，添加劑為洗油、蒽油或煤焦油；
步驟（4），將步驟（3）得到的混合物料置於焙燒爐中於1000～1350℃焙燒1～10h，冷卻至室溫後將物料經過打散、篩分後得到經濟型動力鋰離子電池負極材料。
進一步優選，步驟（1）所述石墨原料為石墨電極石墨化爐產生的保溫料。
進一步優選，步驟（1）所述石墨原料為石墨化石油焦或石墨化瀝青焦中的一種或多種。
進一步優選，步驟（1）得到前驅體石墨粉的平均粒徑為3～8μm。
進一步優選，步驟（2）所述純化處理的具體過程為在質量分數為1%的稀鹽酸溶液中浸泡10小時。
進一步優選，步驟（2）所述粘合劑與石墨粉的投料質量百分配比為3%～15%和85%～97%。
進一步優選，步驟（2）所述添加劑投料量為石墨粉投料質量的8%～15%。
進一步優選，步驟（3）所述混合處理的時間為0.5～2小時。
進一步優選，步驟（4）所得經濟型動力鋰離子電池負極材料的技術指標為D10 ≥6.0μm，D50為15~20μm，D90≤30μm，振實密度≥ 0.70g/cm3，比表面積為2～4。
本發明所述的經濟型動力鋰離子電池負極材料，其特徵在於是由上述方法製備得到的。
本發明與現有技術相比具有以下有益效果：
1、本發明製備的鋰離子電池負極材料能夠進行1C-10C倍率放電，能夠較好地滿足電動汽車動力鋰離子電池負極材料的要求；
2、本發明採用石墨化爐保溫料、粘合劑和添加劑在加熱式混合機中混合加熱製得顆粒團聚的負極材料，其製備工藝簡單、成本低廉，適於工業化生產；
3、本發明的動力鋰離子電池負極材料循環性能好，容量較高，成本低廉，非常適合用於動力鋰離子電池的負極材料。
附圖說明
圖1是本發明實施例1製得的動力鋰離子電池負極材料的SEM圖；
圖2是本發明實施例2製得的動力鋰離子電池負極材料的SEM圖；
圖3是本發明實施例1製得的動力鋰離子電池負極材料用於圓柱18650-1.5Ah電池，1C充6C放電循環500次，其容量保持率圖譜。
具體實施方式
以下通過實施例對本發明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本發明上述內容實現的技術均屬於本發明的範圍。
實施例1
將100公斤石墨原料（石墨電極石墨化爐產生的保溫料）先進行機械粉碎機粉碎並整形分級處理，得到平均粒徑為5μm的前驅體石墨粉，加入200升質量分數為1%的稀鹽酸溶液浸泡10小時純化處理，放入洗滌設備內加水洗滌至pH=7，並脫水烘乾，把烘乾物、軟化點為155℃的高溫瀝青和洗油加入到混合機中，其中高溫瀝青與石墨粉的投料質量百分配比為10%和90%，洗油投料量為石墨粉投料質量的10%，高速攪拌混合併加熱到260℃進行混合處理1小時，冷卻至室溫，投入焙燒爐中於1200℃焙燒6h，經過經梨刀粉碎機打散、250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=7.6μm，D50=15.7μm，D90=25.5μm，振實密度為0.78g/cm3，比表面積為3.1。
實施例2
將150公斤石墨原料（石墨電極石墨化爐產生的保溫料）先進行機械粉碎機粉碎並整形分級處理，得到平均粒徑為10μm的前驅體石墨粉，加入300升質量分數為1%的稀鹽酸溶液浸泡10小時純化處理，放入洗滌設備內加水洗滌至pH=7，並脫水烘乾，把烘乾物、軟化點為250℃的高溫瀝青和煤焦油加入到混合機中，其中高溫瀝青與石墨粉的投料質量百分配比為8%和92%，煤焦油投料量為石墨粉投料質量的12%，高速攪拌混合併加熱到360℃進行混合處理1.5小時，冷卻至室溫，投入焙燒爐中於1150℃焙燒7h，經過經梨刀粉碎機打散、250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=9.8μm，D50=19.4μm，D90=28.6μm，振實密度為0.85g/cm3，比表面積為2.5。
實施例3
將200公斤石墨原料（石墨電極石墨化爐產生的保溫料）先進行機械粉碎機粉碎並整形分級處理，得到平均粒徑為3μm的前驅體石墨粉，加入400升質量分數為1%的稀鹽酸溶液浸泡10小時純化處理，放入洗滌設備內加水洗滌至pH=7，並脫水烘乾，把烘乾物、軟化點為280℃的高溫瀝青和蒽油加入到混合機中，其中高溫瀝青與石墨粉的投料質量百分配比為3%和97%，蒽油投料量為石墨粉投料質量的15%，高速攪拌混合併加熱到400℃進行混合處理0.5小時，冷卻至室溫，投入焙燒爐中於1000℃焙燒10h，經過經梨刀粉碎機打散、250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=6.4μm，D50=15.3μm，D90=23.1μm，振實密度為0.75g/cm3，比表面積為3.5。
實施例4
將100公斤石墨原料（石墨電極石墨化爐產生的保溫料）先進行機械粉碎機粉碎並整形分級處理，得到平均粒徑為8μm的前驅體石墨粉，加入200升質量分數為1%的稀鹽酸溶液浸泡10小時純化處理，放入洗滌設備內加水洗滌至pH=7，並脫水烘乾，把烘乾物、軟化點為200℃的高溫瀝青和洗油加入到混合機中，其中高溫瀝青與石墨粉的投料質量百分配比為15%和85%，洗油投料量為石墨粉投料質量的8%，高速攪拌混合併加熱到310℃進行混合處理2小時，冷卻至室溫，投入焙燒爐中於1300℃焙燒4h，經過經梨刀粉碎機打散、250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=8.5μm，D50=17.3μm，D90=26.7μm，振實密度為0.81g/cm3，比表面積為2.8。
實施例5
將150公斤石墨原料（石墨電極石墨化爐產生的保溫料）先進行機械粉碎機粉碎並整形分級處理，得到平均粒徑為6μm的前驅體石墨粉，加入300升質量分數為1%的稀鹽酸溶液浸泡10小時純化處理，放入洗滌設備內加水洗滌至pH=7，並脫水烘乾，把烘乾物、軟化點為250℃的高溫瀝青和洗油加入到混合機中，其中高溫瀝青與石墨粉的投料質量百分配比為12%和88%，洗油投料量為石墨粉投料質量的10%，高速攪拌混合處理1小時，冷卻至室溫，投入焙燒爐中於1100℃焙燒6h，經過經梨刀粉碎機打散、250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=7.8μm，D50=16.6μm，D90=25.2μm，振實密度為0.80g/cm3，比表面積為3.0。
比較例1
將100公斤石墨化石油焦進行機械粉碎並整形分級，得到石墨粉，250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=8.4μm，D50=18.8μm，D90=32.4μm，振實密度為0.72g/cm3，比表面積為6.5。
比較例2
將100公斤石墨化石油焦進行機械粉碎並整形分級，得到石墨粉，250目標準篩篩分後，得到動力鋰離子電池負極材料。粒徑D10=8.2μm，D50=17.6μm，D90=30.5μm，振實密度為0.69g/cm3，比表面積為7.1。
以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明原理的範圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發明保護的範圍內。