一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法與流程
2023-12-03 08:23:31 1
本申請為申請號：2015102660462，申請日：2015年05月22日，發明名稱：一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法的分案申請。
本發明涉及鋰離子電池負極材料，具體涉及一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法。
背景技術：
隨著汽車行業的發展，石油、天然氣等不可再生石化燃料的耗竭日益受到關注，空氣汙染和室溫效應也成為全球性的問題。為解決能源問題，實現低碳環保，基於目前能源技術的發展水平，電動汽車技術逐漸成為全球經濟發展的重點方向，美國、日本、德國、中國等國家相繼限制燃油車使用，大力發展電動車。作為電動汽車的核心部件——動力電池也迎來了大好的發展機遇。動力電池是指應用於電動車的電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池、燃料電池等，其中，鋰離子電池因具有比能量高、比功率大、自放電少、使用壽命長及安全性好等優點，已成為目前各國發展的重點。
鋰離子電池作為性能卓越的新一代綠色高能電池，其具有高電壓、能量密度大、循環性能好、自放電小、無記憶效應、工作溫度範圍寬等顯著特點。現在的鋰離子電池電極材料正極材料主要為licoo2、linio2和limn2o4等。co系毒性較大，ni系合成條件苛刻，mn系jahn-teller效應循環性能不好。lifepo4被公認為是下一代鋰離子電池中比較有應用前景的正極材料之一。然而，負極的安全性則往往被人們忽視，目前鋰離子電池負極材料主要是碳材料。
而作為鋰離子電池負極材料的石墨類材料具有較低的鋰嵌入/脫嵌電位、合適的可逆容量且資源豐富、價格低廉等優點，是比較理想的鋰離子電池負極材料。但它也存在首次放電效率低、循環性能差、對電解液選擇性高等缺點，使石墨材料應用受到限制。為了解決石墨材料的上述缺點，人們通過各種方法對石墨進行改性處理，目前通常採用的方法是碳包覆法。楊瑞枝等在《樹脂炭包覆石墨作為鋰離子電池負電極的研究》（《無機材料學報》，2000,15（4）：712—718）中以液相浸漬法在天然鱗片石墨表面包覆酚醛樹脂，運用恆流充、放電，粉末微電極循環伏安法考察了充、放電性能。實驗結果表明，經熱處理的酚醛樹脂炭包覆石墨材料的放點容量較高，循環壽命較長，可作為高性能鋰離子電池的負極材料。何明等在《樹脂碳包覆微晶石墨的製備及其電化學性能》（《電池》，2003,3（5）：281—284）中在天然微晶石墨顆粒表面包覆一層樹脂碳，包覆處理可以降低天然微晶石墨的首次不可逆容量，採用先混合然後分散的方法包覆石墨，內部為天然微晶石墨，外部為1～2μm的酚醛樹脂熱解碳層。鋰離子實驗電池測得天然微晶石墨的不可逆容量為14%，包覆石墨的不可逆容量為7%。包覆處理能夠很大程度上降低天然微晶石墨的不可逆容量。陳猛等在《瀝青包覆天然石墨的製備及性能研究》（《電池工業》，2007,12（5）：298—302）採用液相包覆法，將瀝青裂解碳包覆在天然球形石墨上，以改善其循環性能。實驗結果表明，天然石墨經瀝青包覆後，不可逆容量損失從125.5mah/g減少到了32.5mah/g，比容量從290.8mah/g提高到了365.3mah/g，50次循環後的容量保持率從55.4%提高到了93.66%，有效改善了天然石墨的循環性能。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法，目的在於解決石墨高倍率充放電性能差和抗電解液有機溶劑相容性差等問題，提高充放電的循環性能。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為：一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟：
（1）配置濃度為1～12mg/ml的高錳酸鉀水溶液，加入石墨進行氧化造孔，洗滌烘乾，得到多孔石墨；
（2）按照多孔石墨：石墨=（0.02～0.1）：1的比例，同時石墨重量的5～20%的比例加入一定量的碳前驅體，混合均勻，得到多孔石墨和石墨以及碳前驅體複合粉體；
（3）在惰性氣體保護下，將步驟(2)中的複合粉體以2～10℃/min升溫加熱至700～950℃，並持續3～20小時，冷卻降至室溫後，粉碎過篩，即得到多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料。
步驟（1）中的石墨為天然石墨，粒徑d50≤5μm，比表面積≥10m2/g。
步驟（2）中的石墨為人造石墨或天然石墨，粒徑d50介於5～25μm，比表面積≤6m2/g，振實密度≥0.7g/cm3。
步驟（2）中所述的碳前驅體為羥甲基纖維素鈉、聚乙烯醇、酚醛樹脂、環氧樹脂、葡萄糖、澱粉、瀝青中的一種或兩種以上的混合物。
步驟（3）所述的惰性氣體為氬氣。
與現有技術相比，本發明的優點在於多孔石墨摻雜與碳包覆提高了石墨的電導率，製得的多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料比容量高，循環性能好，可廣泛應用於各種鋰離子電池。同時，本發明的製備方法成本低廉，工藝簡單，適合於大規模的工業化生產。
多孔碳對石墨的摻雜改性能解決石墨的高倍率性能較差的問題，由於摻雜的多孔碳在石墨材料中起到了電子傳輸緩衝層的作用，因此提高了石墨材料的循環性能和高倍率充放點性能另外碳材料的引入可有效的抑制電解液對石墨的共嵌作用，提高石墨抗有機溶劑侵蝕能力，進一步提高石墨的循環性能。
具體實施方式
以下結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例1
一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）配製5mg/ml的高錳酸鉀水溶液，將50g的天然石墨（粒徑d50：3.63μm，比表面積：12.51m2/g）的加入到溶液中，氧化處理60min，然後用水洗滌至中性，然後烘乾備用；
（2）按照多孔石墨：石墨（d50：10.82μm，比表面積：6.1m2/g，振實密度：0.96g/cm3）=0.02：1的比例，同時石墨重量5%的比例加入一定量的碳前驅體（瀝青粉體），混合均勻，得到多孔石墨和石墨以及碳前驅體複合粉體；
（3）在惰性氣體保護下，將步驟(2)中的複合粉體以10℃/min升溫加熱至950℃，並持續3小時，冷卻降至室溫後，粉碎過篩，即得到多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料。
實施例2
一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）配製10mg/ml的高錳酸鉀水溶液，將50g的天然石墨（粒徑d50：5.42μm，比表面積：18.12m2/g）的加入到溶液中，氧化處理30min，然後用水洗滌至中性，然後烘乾備用；
（2）按照多孔石墨：石墨（d50：17.21μm，比表面積：5.8m2/g，振實密度：0.85g/cm3）=0.1：1的比例，同時石墨重量10%的比例加入一定量的碳前驅體（酚醛樹脂粉體），混合均勻，得到多孔石墨和石墨以及碳前驅體複合粉體；
（3）在惰性氣體保護下，將步驟(2)中的複合粉體以5℃/min升溫加熱至900℃，並持續5小時，冷卻降至室溫後，粉碎過篩，即得到多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料。
實施例3
一種多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）配製8mg/ml的高錳酸鉀水溶液，將50g的天然石墨（粒徑d50：7.28μm，比表面積：15.42m2/g）的加入到溶液中，氧化處理50min，然後用水洗滌至中性，然後烘乾備用；
（2）按照多孔石墨：石墨（d50：8.14μm，比表面積：6.9m2/g，振實密度：1.04g/cm3）=0.08：1的比例，同時石墨重量7%的比例加入一定量的碳前驅體（環氧樹脂粉體），混合均勻，得到多孔石墨和石墨以及碳前驅體複合粉體；
（3）在惰性氣體保護下，將步驟(2)中的複合粉體以8℃/min升溫加熱至850℃，並持續6小時，冷卻降至室溫後，粉碎過篩，即得到多孔石墨摻雜與碳包覆石墨負極材料。
對比例1
實施例1中未經處理的天然石墨。
對比例2
實施例2中未經處理的人造石墨。
電化學性能測試
為檢驗本發明方法製備的改性鋰離子電池石墨負極材料的性能，用半電池測試方法進行測試，用以上實施例和比較例的負極材料：乙炔黑：pvdf（聚偏氟乙烯）=95：2：3（重量比），加適量nmp（n-甲基吡咯烷酮）調成漿狀，塗布於銅箔上，經真空110℃乾燥8小時製成負極片；以金屬鋰片為對電極，電解液為1mol/llipf6/ec+dec+dmc=1：1：1，聚丙烯微孔膜為隔膜，組裝成電池。充放電電壓為0～2.0v，充放電速率為0.5c，對電池性能進行能測試，測試結果見表1。
表1為不同實施例和比較例中負極材料的性能比較
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵及本發明的優點，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，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內，本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。