石墨复合负极材料及其制备方法、电池技术

本发明专利技术公开了石墨复合负极材料及其制备方法、电池。具体地，本发明专利技术提出了一种石墨复合负极材料，包括：石墨内核，以及包覆在所述石墨内核外侧的包覆层，所述包覆层包括掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料。由此，该掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料包覆层，可以提高利用该石墨复合负极材料制备的负极在充放电过程中的锂离子嵌出速率，使负极的倍率性能以及循环性能良好，提高了利用该负极的电池的快充性能和安全性能等。

Graphite Composite Anode Material, Preparation Method and Battery

【技术实现步骤摘要】
石墨复合负极材料及其制备方法、电池
本专利技术涉及电池
，具体地，涉及石墨复合负极材料及其制备方法、电池。
技术介绍
目前，锂离子电池因其电压稳定、容量高、能量密度大、循环寿命长、环境友好等优势，被广泛应用于摄像机、移动电话、笔记本电脑、电动交通工具等设备上。锂离子电池的负极材料是决定其性能的关键因素，其中，石墨材料因其导电率高、结晶度高、价格较为低廉等优点，被广泛地用作锂离子电池的负极材料。目前，随着电动汽车的快速发展，能量密度大、充放电速度快的锂离子电池愈发受到市场的青睐。负极材料是制约锂离子电池快充能力提升的重要因素，目前常用的快充类锂离子电池主要有钛酸锂电池(负极为钛酸锂材料)和快充石墨/三元锂离子电池(负极为石墨材料)，钛酸锂电池虽然在充放电倍率方面具有优势，但是低的克容量以及高的电压平台严重制约了其在快充类电动汽车等方面的应用。快充石墨具有比钛酸锂高一倍多的克容量，目前已经成为电动汽车的主要负极材料。然而，目前的石墨负极材料及其制备方法、电池仍有待改进。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识作出的：目前的石墨负极材料存在充放电倍率不高等缺陷，导致利用石墨负极材料的锂离子电池的快充性能较差，并且目前的石墨负极材料还存在循环性能以及安全性能较差等问题，限制了其在电动汽车等领域的应用。对石墨负极材料进行包覆和改性等是提高其快充能力的方法之一。因此，如果能提出一种新的石墨复合负极材料，可以具有较高的充放电倍率，将能在很大程度上提高利用该石墨负极材料的锂离子电池的快充性能，并且该石墨复合负极材料具有良好的循环性能和安全性能等，将能在很大程度上解决上述问题。有鉴于此，在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种石墨复合负极材料。根据本专利技术的实施例，该石墨复合负极材料包括：石墨内核，以及包覆在所述石墨内核外侧的包覆层，所述包覆层包括掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料。由此，该掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料包覆层，可以提高利用该石墨复合负极材料制备的负极在充放电过程中的锂离子嵌出速率以及电子传输速率等，并且该包覆层结构稳定，该负极的倍率性能以及循环性能良好，提高了利用该负极的电池的快充性能和安全性能等。根据本专利技术的实施例，所述包覆层的厚度为1～5μm。由此，包覆层的厚度在上述范围时，可以较好地提高锂离子嵌出速率，提高利用该石墨复合负极材料的锂离子电池的快充性能等。根据本专利技术的实施例，所述石墨内核包括人造石墨，所述人造石墨的粒径为3～10μm。由此，石墨内核的粒径在上述范围时，所制备的石墨复合负极材料的首次容量较高，不可逆容量较小，综合性能良好。根据本专利技术的实施例，所述石墨复合负极材料的粒径为5～15μm。由此，石墨复合负极材料的粒径在上述范围时，该石墨复合负极材料的综合性能良好。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种制备前面所述的石墨复合负极材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将有机钛修饰的硬碳前驱体和第一溶剂混合，形成第一混合液；将所述第一混合液放入高压反应釜中进行反应，形成反应产物；对所述反应产物依次进行过滤、冷冻干燥处理以及第一碳化处理，得到掺杂钛的多孔硬碳复合基体；将所述掺杂钛的多孔硬碳复合基体、锂源以及第二溶剂混合并搅拌，形成第二混合液；在所述第二混合液中加入石墨，并进行第二碳化处理，得到所述石墨复合负极材料。由此，该方法可以简便地制得前面所述的石墨复合负极材料，利用该石墨复合负极材料的负极的倍率性能以及循环性能良好，提高了利用该负极的电池的快充性能和安全性能等。根据本专利技术的实施例，所述形成第一混合液进一步包括：将石墨烯和所述有机钛修饰的硬碳前驱体以及所述第一溶剂混合，所述有机钛修饰的硬碳前驱体和所述石墨烯的质量比为100：(1～5)。由此，该石墨烯可以提高制备的石墨复合负极材料的导电性，并且，石墨烯和有机钛修饰的硬碳前驱体的质量比在上述范围时，可以进一步提高该石墨复合负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述第一混合液中，所述有机钛修饰的硬碳前驱体的浓度为5～20wt％。由此，有机钛修饰的硬碳前驱体的浓度在上述范围时，有助于形成孔道较多的硬碳复合基体，可以进一步提高锂离子的嵌出速率，提高利用该石墨复合负极材料的负极的倍率性能，提高了利用该负极的电池的快充性能等。根据本专利技术的实施例，所述有机钛修饰的硬碳前驱体包括有机钛环氧树脂。由此，上述有机钛修饰的硬碳前驱体来源广泛，成本较低，且形成的掺杂钛的多孔硬碳复合基体中，硬碳层间距较大，孔道较多，可以为锂离子的嵌出提供较多的通道，从而可以进一步提高锂离子的嵌出速率；并且该硬碳复合基体中掺杂钛，可以提高电子导电率，进一步提高锂离子的嵌出速率，并且掺杂的钛结构稳定，可以抑制充放电过程中的电池温度升高等，进一步提高了利用该石墨复合负极材料的电池的快充性能以及安全性能等。根据本专利技术的实施例，所述第一溶剂包括：甲苯、二甲苯、乙醇、丙酮、丁醇、甲乙酮、环己酮、乙酸乙酯中的至少一种。由此，进一步提高了所制备的石墨复合负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述将所述第一混合液放入高压反应釜中进行反应时，反应温度为60～120℃，反应压强为1～5MPa，反应时间为1～3h。由此，进一步提高了所制备的掺杂钛的多孔硬碳复合基体的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述第一碳化处理在惰性气体氛围中进行，碳化温度为400～600℃，碳化时间为5～8h。由此，进一步提高了所制备的掺杂钛的多孔硬碳复合基体的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述第二混合液中，所述锂源和所述掺杂钛的多孔硬碳复合基体的质量比为1：(2～30)。由此，在第二混合液中添加锂源，并且添加的锂源比例在上述范围时，该锂源可以增加制备的石墨复合负极材料中的锂离子数目，进而可以提高利用该石墨复合负极材料的锂离子电池在充放电过程中的锂离子的嵌出速率，提高电池的快充性能，并且能够提高锂离子电池的首次效率，进一步提高了所制备的石墨复合负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述在所述第二混合液中加入石墨后，所述石墨和所述掺杂钛的多孔硬碳复合基体的质量比为(3～20)：1。由此，有利于在石墨表面形成掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料包覆层，且该包覆层的厚度适中，可以较好地提高利用该石墨复合负极材料的电池的倍率性能以及快充性能等。根据本专利技术的实施例，所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂、锆酸锂、钒酸锂、钛酸锂中的至少一种。由此，进一步提高了所制备的石墨复合负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述形成第二混合液之后，所述方法进一步包括：对所述第二混合液进行干燥，形成掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料；将所述掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料加入有机碳溶液中，并进行搅拌，再进行所述第二碳化处理，其中，所述有机碳溶液的浓度为1～5wt％，所述有机碳溶液和所述石墨的质量比为5：(1～2)。由此，可以在石墨表面进一步包覆有机碳层，进一步提高了所制备的石墨复合负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述第二碳化处理在惰性气体氛围中进行，碳化温度为500～700℃，碳化时间为2～5h。由此，进一步提高了所制备的石墨复合负极材料的使用性能。在本专利技术的又一方面，本专利技术提出了一种电池。根据本专利技术的实施例，该电池包括：正极；负极，所述负极包括前面所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨复合负极材料，其特征在于，包括：石墨内核，以及包覆在所述石墨内核外侧的包覆层，所述包覆层包括掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨复合负极材料，其特征在于，包括：石墨内核，以及包覆在所述石墨内核外侧的包覆层，所述包覆层包括掺杂钛和锂的多孔硬碳复合材料。2.根据权利要求1所述的石墨复合负极材料，其特征在于，所述包覆层的厚度为1～5μm；任选地，所述石墨内核包括人造石墨，所述人造石墨的粒径为3～10μm；任选地，所述石墨复合负极材料的粒径为4～15μm。3.一种制备权利要求1或2所述的石墨复合负极材料的方法，其特征在于，包括：将有机钛修饰的硬碳前驱体和第一溶剂混合，形成第一混合液；将所述第一混合液放入高压反应釜中进行反应，形成反应产物；对所述反应产物依次进行过滤、冷冻干燥处理以及第一碳化处理，得到掺杂钛的多孔硬碳复合基体；将所述掺杂钛的多孔硬碳复合基体、锂源以及第二溶剂混合并搅拌，形成第二混合液；在所述第二混合液中加入石墨，并进行第二碳化处理，得到所述石墨复合负极材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述形成第一混合液进一步包括：将石墨烯和所述有机钛修饰的硬碳前驱体以及所述第一溶剂混合，所述有机钛修饰的硬碳前驱体和所述石墨烯的质量比为100：(1～5)。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一混合液中，所述有机钛修饰的硬碳前驱体的浓度为5～20wt％；任选地，所述有机钛修饰的硬碳前驱体包括有机钛环氧树脂；任选地，所述第一溶剂包括：甲苯、二甲苯、乙醇、丙酮、丁醇、甲乙酮、环己酮、乙酸乙酯中的至少一种。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锋，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32