石墨材料及其制备方法、负极和锂离子电池技术

本发明专利技术涉及一种石墨材料及其制备方法、负极和锂离子电池。该石墨材料的制备方法包括：将原料与芳香性杂环化合物混合制备成焦炭，焦炭选自生焦及针状焦中的至少一种，芳香性杂环化合物选自含硫元素的芳香性杂环化合物及含氮元素的芳香性杂环化合物中的至少一种；将焦炭升温至1350℃～1400℃，再经2小时～7小时继续升温至1750℃～1850℃，然后继续升温至2800℃～3000℃，得到石墨化产物；使用改性剂包覆石墨化产物，得到包覆物，改性剂选自沥青及热塑性树脂中的至少一种；在保护气体的条件下，将包覆物在1000℃～1300℃下热处理，得到石墨材料。上述方法制备的石墨材料兼具较高的倍率性能和较大的容量。

Graphite Material and Its Preparation Method, Anode and Lithium Ion Battery

【技术实现步骤摘要】
石墨材料及其制备方法、负极和锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池
，特别是涉及一种石墨材料及其制备方法、负极和锂离子电池。
技术介绍
随着锂离子电池应用范围的拓宽，以及应用端性能要求的不断提升，对锂离子电池的要求越来越高，其中续航时间或里程和充电速度是用户体验中最为关键的痛点：如何使汽车行驶里程更长、手机待机时间更长，如何在电量消耗后迅速补电。对于锂离子电池而言，即为能量密度和充放电倍率的问题。负极材料是制约锂离子电池能量密度和倍率充放电性能的关键之一。目前，采用天然石墨或针状焦为原料制备的石墨负极材料的比容量已经可以达到365mAh/g～370mAh/g，接近石墨负极材料的理论容量372mAh/g。但这类负极材料的倍率性能需要得以提升。目前，提高石墨负极材料的倍率性能的方法主要有减小材料颗粒直径和增大石墨层间距。减小材料颗粒直径是通过缩短锂离子扩散距离，增加锂离子脱嵌点位，以提高负极材料的倍率性能，但是该方法得到的负极材料的倍率性能仍然不够好；增大石墨层间距的方法能够改善锂离子的扩散速率，而提升负极材料的倍率性能，但是这种方法会导致负极材料的容量下降。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种兼具较高的倍率性能和较高的容量的石墨材料。此外，还提供一种石墨材料的制备方法、负极和锂离子电池。一种石墨材料的制备方法，包括如下步骤：将原料与芳香性杂环化合物混合制备成焦炭，其中，所述焦炭选自生焦及针状焦中的至少一种，所述芳香性杂环化合物选自含硫元素的芳香性杂环化合物及含氮元素的芳香性杂环化合物中的至少一种，所述原料选自煤系针状焦的制备原料及油系针状焦的制备原料中的至少一种；将所述焦炭升温至1350℃～1400℃，再经2小时～7小时继续升温至1750℃～1850℃，然后继续升温至2800℃～3000℃，得到石墨化产物；使用改性剂包覆所述石墨化产物，得到包覆物，所述改性剂选自沥青及热塑性树脂中的至少一种；及在保护气体的条件下，将所述包覆物在1000℃～1300℃下热处理，得到石墨材料。在其中一个实施例中，还包括所述生焦的制备步骤，所述生焦的制备步骤包括：将所述原料与所述芳香性杂环化合物混合进行延迟焦化处理，得到所述生焦；及/或，还包括所述针状焦的制备步骤，所述针状焦的制备步骤包括：将所述原料与所述芳香性杂环化合物混合进行延迟焦化处理，得到生焦，将所述生焦在1100℃～1400℃下煅烧，得到所述针状焦。在其中一个实施例中，所述煤系针状焦的制备原料为预处理的煤系针状焦的制备原料，其中，所述预处理的煤系针状焦的制备原料的制备步骤包括：使用芳烃和脂肪烃的混合溶剂对所述煤系针状焦的制备原料进行萃取处理，然后经沉降分离，得到所述预处理的煤系针状焦的制备原料；及/或，所述油系针状焦的制备原料为预处理的油系针状焦的制备原料，所述预处理的油系针状焦的制备原料的制备步骤包括：脱除所述油系针状焦的制备原料中的沥青，得到脱沥青油；用异丁烷对所述脱沥青油进行抽提，得到所述预处理的油系针状焦的制备原料。在其中一个实施例中，所述芳香性杂环化合物与所述原料的质量比1:99～10:90；及/或，所述改性剂与所述石墨化产物的质量比为2:98～20:80；及/或，所述含硫元素的芳香性杂环化合物为噻吩类化合物；及/或，所述含氮元素的芳香性杂环化合物选自咔唑类化合物、吲哚类化合物、吡啶及喹啉中的至少一种；及/或，所述沥青选自油系沥青及煤系沥青中的至少一种；及/或，所述热塑性树脂选自聚丙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮及聚醚砜中的至少一种。在其中一个实施例中，所述将所述焦炭升温至1350℃～1400℃的步骤之前，还包括将所述焦炭粉碎至中位粒径为3微米～25微米的步骤；及/或，所述将所述包覆物在1000℃～1300℃的下热处理的步骤之后，还包括将热处理后得到的产物进行分级、筛分以使所述产物的中位粒径为5微米～25微米的步骤；及/或，所述改性剂的中位粒径为5微米～25微米；及/或，所述改性剂与所述石墨化产物的质量比为10:90～20:80。在其中一个实施例中，所述使用改性剂包覆所述石墨化产物的步骤包括：将所述改性剂与所述石墨化产物混合，得到混合物；在保护气体的气氛和持续搅拌的条件下，将所述混合物于400℃～500℃保温1小时～5小时，再升温至600℃～700℃，并保温1小时～5小时，然后冷却。在其中一个实施例中，所述将所述焦炭升温至1350℃～1400℃的步骤具体为：将所述焦炭从室温经25小时～30小时升温至1350℃～1400℃；及/或，所述继续升温至2800℃～3000℃的步骤为：从1750℃～1850℃经20小时～25小时升温至2800℃～3000℃。一种石墨材料，包括石墨本体及包覆在所述石墨本体的表面上的包覆层，所述包覆层的材料选自软炭及硬炭中的至少一种，所述石墨本体内形成通道，所述通道从所述石墨本体的内部延伸至所述包覆层。一种负极，所述负极的材料包括上述石墨材料的制备方法制备得到的石墨材料或上述石墨材料。一种锂离子电池，包括上述负极。通过在原料中添加含硫元素的芳香性杂环化合物及含有氮元素的芳香性杂环化合物中的至少一种，共同制作成焦炭，在石墨化过程中，S和/或N在1350～1850℃从焦炭中脱出，留下通道，以使得到的石墨化产物中形成原子级至纳米级的通道，可为后续锂离子在石墨材料中扩散提供快速通道；通过使用沥青及热塑性树脂中的至少一种作为改性剂包覆石墨化产物，在通过后续1000℃～1300℃下对包覆物进行热处理，以在石墨化产物的表面形成硬炭及/或软炭层，而软炭、硬炭的层间距明显较石墨大，有利于锂离子的传输，可以提高锂离子从材料表面嵌入和脱出的速率，从而使得上述方法制备得到的石墨材料不仅具有较高的倍率性能，而且还具有较高的容量。附图说明图1为一实施方式的石墨材料的结构示意图；图2为实施例1的石墨材料的扫描电镜图；图3为实施例3的石墨材料的扫描电镜图；图4为实施例9的石墨材料的扫描电镜图；图5为实施例10的石墨材料的扫描电镜图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。如图1所示，一实施方式的石墨材料的制备方法，该石墨材料能够用于制作锂离子电池的负极。该石墨材料的制备方法包括如下步骤：步骤S110：将原料与芳香性杂环化合物混合制备成焦炭。其中，原料选自煤系针状焦的制备原料及油系针状焦的制备原料中的至少一种。油系针状焦的制备原料的通常为石油渣油。具体地，油系针状焦的制备原料选自热裂化渣油、催化裂化澄清油、润滑油精制抽出油、蒸汽裂化焦油、焦化蜡油及乙烯裂解渣油中的至少一种。进一步地，油系针状焦的制备原料为预处理后的油系针状焦的制备原料，且预处理后的油系针状焦的制备原料制备步骤包括：脱除油系针状焦的制备原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将原料与芳香性杂环化合物混合制备成焦炭，其中，所述焦炭选自生焦及针状焦中的至少一种，所述芳香性杂环化合物选自含硫元素的芳香性杂环化合物及含氮元素的芳香性杂环化合物中的至少一种，所述原料选自煤系针状焦的制备原料及油系针状焦的制备原料中的至少一种；将所述焦炭升温至1350℃～1400℃，再经2小时～7小时继续升温至1750℃～1850℃，然后继续升温至2800℃～3000℃，得到石墨化产物；使用改性剂包覆所述石墨化产物，得到包覆物，所述改性剂选自沥青及热塑性树脂中的至少一种；及在保护气体的条件下，将所述包覆物在1000℃～1300℃下热处理，得到石墨材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将原料与芳香性杂环化合物混合制备成焦炭，其中，所述焦炭选自生焦及针状焦中的至少一种，所述芳香性杂环化合物选自含硫元素的芳香性杂环化合物及含氮元素的芳香性杂环化合物中的至少一种，所述原料选自煤系针状焦的制备原料及油系针状焦的制备原料中的至少一种；将所述焦炭升温至1350℃～1400℃，再经2小时～7小时继续升温至1750℃～1850℃，然后继续升温至2800℃～3000℃，得到石墨化产物；使用改性剂包覆所述石墨化产物，得到包覆物，所述改性剂选自沥青及热塑性树脂中的至少一种；及在保护气体的条件下，将所述包覆物在1000℃～1300℃下热处理，得到石墨材料。2.根据权利要求1所述的石墨材料的制备方法，其特征在于，还包括所述生焦的制备步骤，所述生焦的制备步骤包括：将所述原料与所述芳香性杂环化合物混合进行延迟焦化处理，得到所述生焦；及/或，还包括所述针状焦的制备步骤，所述针状焦的制备步骤包括：将所述原料与所述芳香性杂环化合物混合进行延迟焦化处理，得到生焦，将所述生焦在1100℃～1400℃下煅烧，得到所述针状焦。3.根据权利要求1所述的石墨材料的制备方法，其特征在于，所述煤系针状焦的制备原料为预处理的煤系针状焦的制备原料，其中，所述预处理的煤系针状焦的制备原料的制备步骤包括：使用芳烃和脂肪烃的混合溶剂对所述煤系针状焦的制备原料进行萃取处理，然后经沉降分离，得到所述预处理的煤系针状焦的制备原料；及/或，所述油系针状焦的制备原料为预处理的油系针状焦的制备原料，所述预处理的油系针状焦的制备原料的制备步骤包括：脱除所述油系针状焦的制备原料中的沥青，得到脱沥青油；用异丁烷对所述脱沥青油进行抽提，得到所述预处理的油系针状焦的制备原料。4.根据权利要求1所述的石墨材料的制备方法，其特征在于，所述芳香性杂环化合物与所述原料的质量比1:99～10:90；及/或，所述改性剂与所述石墨化产物的质量比为2:98～20:80；及/或，所述含...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泽轶，蒋勇明，胡晓东，陈良俊，王少鹏，吴云胜，何晓云，石九菊，操世鑫，
申请(专利权)人：深圳市金润能源材料有限公司，四川金泰能新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44