高性能锂离子电池石墨负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高性能锂离子电池石墨负极材料及其制备方法，其制备过程包括以下步骤：1）对天然石墨进行表面氧化处理；2）对氧化处理过的天然石墨进行硬碳包覆得到前驱体；3）对步骤2）所得前驱体碳化处理；4）对碳化处理后前驱体进行浸汁处理；5）对浸渍材料进行破碎，然后经过碳化得到高容量高功率石墨负极材料。本发明专利技术表面氧化处理天然石墨提升容量，硬碳包覆使其具备大倍率充电能力，浸渍处理修复氧化及硬碳包覆后留下的缺陷，提升其循环性能。

Graphite anode materials for high performance lithium ion batteries and their preparation

【技术实现步骤摘要】
高性能锂离子电池石墨负极材料及其制备方法
：本专利技术涉及一种锂离子电池用的石墨负极材料及其制备方法，特别是一种高性能锂离子电池石墨负极材料及其制备方法。
技术介绍
:锂离子电池主要由正极材料嵌锂的过渡金属氧化物，负极材料为高度石墨化的碳、隔膜聚烯烃微孔膜和电解质材料等组成。锂离子电池与传统的铅酸、镍镉、镍氢等二次电池相比，锂离子二次电池具有工作电压高、体积小、质量轻、容量密度高、无记忆效应、无污染、自放电小以及循环寿命长等优点。自上世纪由日本某公司成功将锂离子电池实现商品化以来，锂离子电池已成为手机、笔记本电脑和数码产品的主导电源，在电动汽车和储能等领域的应用亦越来越广泛。目前，大规模商业化使用的锂离子电池负极材料主要是碳材料，主要包括天然石墨、人造石墨等，天然石墨天生具有高容量、高压实的优点，随着人造石墨技术的不断提升亦使得其在能力密度上有明显提升，几乎达到天然石墨水平但是目前，大规模商业化使用的锂离子电池负极材料主要是碳材料，包括天然石墨、人造石墨等，但其实其理论比容量低，300mAh/g左右，无法满足高容量高功率的锂离子电池的需求。近年来，特别是5G时代的到来，电子产品对电池快充性能要求不断提升，需要负极材料满足5C充电要求，且倍率性能要求还在不断提升。目前，中间相炭微球，小粒径沥青焦、等方焦等能满足5C充电要求，但其容量压实偏低，满足不了能力密度要求。因此，急需开发出兼具能力密度与快充性能的高容量高功率的锂离子电池用的石墨负极材料。如中国专利公告号为CN109616639A发表了一种硬碳包覆膨胀微晶石墨材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用，该技术采用微晶石墨为基材，氧化后通过硬碳包覆，得到的复合材料导电性好，储钠能力高，但要是作为锂离子电池负极材料，其硬碳大量微孔的存在，电解液易通过包覆层加入材料内部并发生副反应，势必影响材料的循环性能。还有如中国专利公告号为CN109755581A公开了《一种弹性碳材料包覆结构及其包覆工艺》，该技术是将低残碳前驱体通过表面活性剂分散于溶剂中，而后通过喷雾干燥将低碳前驱体沉积于被包覆物表面，再在其外层均匀包覆一层高残碳前驱体，然后在惰性气氛下，将包覆后的产物加热、冷却，最后经打散、筛分、除磁得到弹性碳材料包覆结构。该专利技术包覆工艺制备的弹性碳材料包覆结构具有很强的弹性，可以避免因被包覆物体积剧烈变化而出现破裂。但该工艺采用的是一次碳化，硬碳与软碳前驱体在同时碳化的过程中存在难以控制的工艺方法的等缺陷，从而影响了碳化后的石墨负极材料的性能。因此，如何来提供一种锂离子电池用高容量高功率石墨负极材料及其制备方法，其可克服锂离子电池用石墨负极材料的容量压实偏低，满足不了能力密度要求的问题；同时制备出兼具能量密度与快充性能的高容量高功率的锂离子电池用的石墨负极材料及方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能锂离子电池石墨负极材料及其制备方法；其是以天然石墨为原材料，通过氧化处理提升容量，通过硬碳包覆提升其倍率性能，通过浸渍处理提升其循环性能，通过表面氧化处理天然石墨提升容量，硬碳包覆使其具备大倍率充电能力，采用浸渍处理修复氧化及硬碳包覆后留下的缺陷，提升其循环性能。工业化生产成本低的，用于锂离子电池用的石墨负极材料。本专利技术就是要提供一种高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，以天然石墨为原材料，通过氧化处理提升容量，通过硬碳包覆提升其倍率性能，通过浸渍处理提升其循环性能，其包括如下步骤：1)、氧化处理，是将天然石墨与氧化剂混合溶液进行充分搅拌混合，过滤、干燥，在惰性气氛条件下，进行高温氧化处理，为氧化天然石墨；2)、制石墨负极材料前驱体，将步骤1)氧化天然石墨置于包覆剂及相应溶剂中，进行充分搅拌混合为氧化天然石墨与包覆剂混合物，将氧化天然石墨与包覆剂混合物经喷雾干燥后，得到石墨负极材料前驱体；3)、低温碳化处理，将步骤2)所得石墨负极材料前驱体在惰性气氛中，进行低温碳化处理，得碳化石墨负极材料前驱体；4)、沥青浸渍处理，将碳化石墨负极材料前驱体置于沥青溶剂中在压力存在的条件下，进行混合溶解处理，取出过滤、干燥，为沥青碳化石墨负极材料前驱体；5)、二次碳化，制高性能锂离子电池用石墨负极材料，将步骤4)所得沥青碳化石墨负极材料前驱体物料进行粉碎后，在惰性气氛中，再进行高温碳化处理，即得到高性能锂离子电池用石墨负极材料。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其步骤1)所述氧化剂为过氧化物和有机酸的混合或过氧化物和无机酸的混合，控制天然石墨与过氧化物和有机酸或天然石墨与过氧化盐和无机酸的质量比为80-95：5-20：1-10；控制高温氧化处理的温度为500-600℃；时间为2-4h。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其步骤2)所述包覆剂为蔗糖、酚醛树酯、环氧树脂、聚乙烯醇中的任意一种或多种；控制所述氧化天然石墨与包覆剂的质量比为100：3-40。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其步骤3)控制低温碳化处理温度温度为500-650℃，时间为6-20h，控制低温碳化处理升温速率为5-8℃/min。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其步骤4)沥青浸渍处理，所述沥青为低温沥青或中温沥青；控制所述压力为0.2-1.5Mp，在此压力存在条件下保压时间为0.2-3h。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其步骤5)控制沥青碳化石墨负极材料前驱体物料进行粉碎后的材料粒径为1um-50um，，控制高温碳化温度为1200-1400℃，碳化时间为5-24h；控制高温碳化的升温速率4-10℃/min。优选的，是所述氧化剂为过硫酸钠和草酸的混合或过氧化钠和浓硫酸的混合。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法制备的高性能锂离子电池用石墨负极材料，其所述高性能锂离子电池用石墨负极材料由硬碳包覆于氧化天然石墨及软碳构成，控制质量比为天然石墨质量：硬碳质量：软碳质量为80-98：1-10：1-10。所述的高性能锂离子电池石墨负极材料，其控制所述高性能锂离子电池用石墨负极材料的粒径为2um-45um，比表面积为3-20m2/g。所述溶剂为甲苯、二甲苯，喹啉或水中的任意一种。本专利技术所述的软碳是指在高温下能石墨化的无定型碳；而硬碳则是指高分子聚合物的热解碳。本专利技术所述的惰性气氛是指在氮气和/或氦气存在的气氛条件。本专利技术公开的一种高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，采用表面氧化处理天然石墨提升容量，硬碳包覆使其具备大倍率充电能力，浸渍处理修复氧化及硬碳包覆后留下的缺陷，提升锂离子电池石墨负极材料其循环性能；该材料作为锂离子电池负极材料时，其具备高容量、高压实、优异的倍率性能及循环寿命。其与现有技术相比，本专利技术技术方案还具有如下的有益效果：1.采用天然石墨与硬碳包覆相结合，既保证了锂离子电池用石墨负极材料的能力密度，极大提升了材料的倍率性能；2.是用压力沥青本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，以天然石墨为原材料，通过氧化处理提升容量，通过硬碳包覆提升其倍率性能，通过浸渍处理提升其循环性能，其特征是包括如下步骤：/n1）、氧化处理，是将天然石墨与氧化剂混合溶液进行充分搅拌混合，过滤、干燥，在惰性气氛条件下，进行高温氧化处理，为氧化天然石墨；/n2）、制石墨负极材料前驱体，将步骤1）氧化天然石墨置于包覆剂及相应溶剂中，进行充分搅拌混合为氧化天然石墨与包覆剂混合物，将氧化天然石墨与包覆剂混合物经喷雾干燥后，得到石墨负极材料前驱体；/n3）、低温碳化处理，将步骤2）所得石墨负极材料前驱体在惰性气氛中，进行低温碳化处理，得碳化石墨负极材料前驱体；/n4）、沥青浸渍处理，将碳化石墨负极材料前驱体置于沥青溶剂中在压力存在的条件下，进行混合溶解处理，取出过滤、干燥，为沥青碳化石墨负极材料前驱体；/n5）、二次碳化，制高性能锂离子电池用石墨负极材料，将步骤4）所得沥青碳化石墨负极材料前驱体物料进行粉碎后，在惰性气氛中，再进行高温碳化处理，即得到高性能锂离子电池用石墨负极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，以天然石墨为原材料，通过氧化处理提升容量，通过硬碳包覆提升其倍率性能，通过浸渍处理提升其循环性能，其特征是包括如下步骤：
1）、氧化处理，是将天然石墨与氧化剂混合溶液进行充分搅拌混合，过滤、干燥，在惰性气氛条件下，进行高温氧化处理，为氧化天然石墨；
2）、制石墨负极材料前驱体，将步骤1）氧化天然石墨置于包覆剂及相应溶剂中，进行充分搅拌混合为氧化天然石墨与包覆剂混合物，将氧化天然石墨与包覆剂混合物经喷雾干燥后，得到石墨负极材料前驱体；
3）、低温碳化处理，将步骤2）所得石墨负极材料前驱体在惰性气氛中，进行低温碳化处理，得碳化石墨负极材料前驱体；
4）、沥青浸渍处理，将碳化石墨负极材料前驱体置于沥青溶剂中在压力存在的条件下，进行混合溶解处理，取出过滤、干燥，为沥青碳化石墨负极材料前驱体；
5）、二次碳化，制高性能锂离子电池用石墨负极材料，将步骤4）所得沥青碳化石墨负极材料前驱体物料进行粉碎后，在惰性气氛中，再进行高温碳化处理，即得到高性能锂离子电池用石墨负极材料。


2.根据权利要求1所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征是步骤1）所述氧化剂为过氧化物和有机酸的混合或过氧化物和无机酸的混合，控制天然石墨与过氧化物和有机酸或天然石墨与过氧化盐和无机酸的质量比为80-95：5-20：1-10；控制高温氧化处理的温度为500-600℃；时间为2-4h。


3.根据权利要求1所述的高性能锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征是步骤2）所述包覆剂为蔗糖、酚醛树酯、环氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小广，褚相礼，黄雨生，
申请(专利权)人：江西正拓新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36