一種高倍率碳負極材料的製備方法與流程

2023-12-03 04:05:06 1

本發明涉及材料技術領域，具體是一種高倍率碳負極材料的製備方法。

背景技術：

在目前商業化的鋰離子電池負極材料中，碳負極材料包括天然石墨、人造石墨、軟碳和硬碳，而前兩種石墨負極是被廣泛運用在鋰離子電池生產中，由於石墨負極容量高、嵌/脫鋰可逆性好、電位平臺低以及循環性能優良等優點，其作為是3C類電子產品的主要負極材料並且得到了廣泛應用。

在國內外市場上由於動力汽車的突起，對於鋰離子電池負極材料的倍率性能再一次提高，因此，從鋰離子電池功率密度上考慮以及業界對高功率密度鋰離子電池的迫切需求，開發高功率密度同時兼顧高能量密度的鋰離子電池意義重大。專利CN105024075A是利用小的石墨前驅體，石墨前驅體的平均粒徑D50為5μm-10μm，快速充電(1.5C)45分鐘能達到80％以上，但是倍率性能仍然欠佳。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種內部結構穩定、使用壽命高的高倍率碳負極材料的製備方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份0.1-20份的焦類和按照重量份0.1-10份的導電劑混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與碳類進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在400-1500℃惰性氣體下燒結，燒結壓力為0.01-0.1MPa，燒結時間為350-450min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成5-20um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在2800-3500℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，500-1500℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用溶劑將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從溶劑中分離出固相顆粒，再在500-1000℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得5-20um的顆粒，既得。

作為本發明進一步的方案：所述碳類為天然石墨、人造石墨、石墨碎、中間相碳微球、軟碳、硬碳中的一種或兩種以上。

作為本發明進一步的方案：所述碳類的顆粒為5-30um，含碳量為99.8-99.9％。

作為本發明進一步的方案：所述焦類為石油焦、瀝青焦、針狀焦、焦炭中一種或兩種以上。

作為本發明進一步的方案：所述導電劑為炭黑、乙炔黑、爐黑、科琴碳、導電顆粒、碳納米管、碳纖維、導電纖維中的一種或兩種以上。

作為本發明進一步的方案：所述步驟(3)的燒結升溫速率為5-10℃/min。

作為本發明進一步的方案：所述溶劑為吡啶、喹啉、二甲苯、甲苯中的一種或兩種以上。

作為本發明再進一步的方案：所述高倍率碳負極材料的形貌為球形、片狀、鵝卵形的一種或者兩種以上。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明採用一次顆粒狀的碳材料，通過混合方式，再通過樹脂類等進行液相包覆的方式將材料內殼填充，使材料內部結構穩定，使碳負極材料具有比高容量、倍率性能好及循環性能長等優點，提升高壓實、高倍率的同時保證其循環壽命得到提升。

附圖說明

圖1為本發明實施例製備得到的的高倍率碳負極材料結構示意圖。

圖2為本發明實施例5製備得到的高倍率碳負極材料充放電曲線圖。

圖3為本發明實施例製備得到的高倍率碳負極材料的製備方法流程圖。

圖4為本發明實施例製備得到的高倍率碳負極材料0.2C比10C充電曲線圖。

圖5為本發明實施例製備得到的高倍率碳負極材料的循環圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。

實施例1

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份0.1份的石油焦和按照重量份0.2份的乙炔黑混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與天然石墨進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在400℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為5℃/min，燒結壓力為0.01MPa，燒結時間為350min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成5um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在2800℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，500℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用吡啶將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從吡啶中分離出固相顆粒，再在500℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得5um的顆粒，既得。

實施例2

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份2.5份的瀝青焦和按照重量份1.25份的炭黑混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與人造石墨進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在540℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為5.6℃/min，燒結壓力為0.05MPa，燒結時間為350min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成10um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3000℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，600℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用喹啉將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從喹啉中分離出固相顆粒，再在550℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得10um的顆粒，既得。

實施例3

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份5份的針狀焦和按照重量份2.5份的爐黑混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與石墨碎進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在600℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為6℃/min，燒結壓力為0.1MPa，燒結時間為400min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成15um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3000℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，700℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用二甲苯將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從二甲苯中分離出固相顆粒，再在600℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得15um的顆粒，既得。

實施例4

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份7.5份的焦炭和按照重量份3.75份的科琴碳混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與天中間相碳微球進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在700℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為7℃/min，燒結壓力為0.01MPa，燒結時間為400min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成15um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3000℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，800℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用甲苯將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從甲苯中分離出固相顆粒，再在650℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得15um的顆粒，既得。

實施例5

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份10份的石油焦和按照重量份5份的導電纖維混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與軟碳進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在800℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為8℃/min，燒結壓力為0.05MPa，燒結時間為400min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成15um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3000℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，900℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用吡啶將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從吡啶中分離出固相顆粒，再在700℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得15um的顆粒，既得。

實施例6

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份12.5份的瀝青焦和按照重量份6.25份的導電顆粒混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與硬碳進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在1000℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為9℃/min，燒結壓力為0.05MPa，燒結時間為420min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成18um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3200℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，1200℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用喹啉將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從喹啉中分離出固相顆粒，再在800℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得18um的顆粒，既得。

實施例7

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份15份的針狀焦和按照重量份7.5份的炭碳納米管混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與天然石墨進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在1200℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為9℃/min，燒結壓力為0.1MPa，燒結時間為420min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成15um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3300℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，1300℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用二甲苯將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從二甲苯中分離出固相顆粒，再在900℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得15um的顆粒，既得。

實施例8

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份17.5份的焦炭和按照重量份8.75份的碳纖維混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與人造石墨進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在1400℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為9.5℃/min，燒結壓力為0.05MPa，燒結時間為450min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成20um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3400℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，1400℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用吡啶將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從吡啶中分離出固相顆粒，再在900℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得20um的顆粒，既得。

實施例9

請參閱圖1-5，一種高倍率碳負極材料的製備方法，具體步驟如下：

(1)將按照重量份20份的石油焦和按照重量份10份的導電纖維混合；

(2)將步驟(1)混合製備的好的物料與石墨碎進行一次包覆，將一次包覆後的材料置於迴轉爐內在1500℃惰性氣體下燒結，燒結升溫速率為10℃/min，燒結壓力為0.1MPa，燒結時間為450min，之後通氮氣冷卻至室溫，並將包覆好的材料通過氣流粉碎機製成20um大小的顆粒；

(3)將步驟(2)所製備好的顆粒在3500℃進行石墨化處理；

(4)將步驟(3)石墨化處理後的物料與樹脂類材料進行二次包覆，將二次包覆後的材料置於迴轉爐內，1500℃惰性氣體下燒結，之後冷卻至室溫；

(5)採用甲苯將步驟(4)處理後的物料進行表面處理，用離心、沉澱的方法從甲苯中分離出固相顆粒，再在1000℃的溫度下進行碳化，再經氣流粉碎工藝製得20um的顆粒，既得。

上述實施例1-實施例9製備得到的高倍率碳負極材料的性能參數如表1所示：

表1：實施例1-實施例9製備得到的高倍率碳負極材料的性能參數

本發明利用較小的一次導電顆粒，縮短鋰鋰離子的擴散距離，同時在顆粒表面進行二次包覆，可以實現離子電導和電子電導的快速轉移和輸運，在長期大倍率的情況碳負極材料本身的結構不被破壞，使循環壽命增大。

上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利並不限於上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下作出各種變化。