一种快充石墨负极材料的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，尤其涉及一种快充型锂离子电池石墨负极材料及其制备方法和应用。它包括：对炭素材料进行分级或整形处理，得到具备一定粒形特征的碳微粉A；将碳微粉A放入石墨化炉，进行高温石墨化处理，得到石墨化料；石墨化料经过筛分处理，得到石墨化料B；在酸性水溶液体系中，对石墨化料B进行微膨胀化处理；取乙烯裂解焦油置于反应器中，按一定比例加入苯甲醛、对甲基苯磺酸，得到多核富芳固体炭材料；将烘干微膨胀石墨微粉与多核富芳炭粉体材料混合，在碳化炉中进行碳化处理获得碳化料，碳化料冷却之后过筛处理，得到一种快充石墨负极材料。本发明专利技术石墨负极材料的锂离子电池快充性能佳，倍率性能好，循环性能优异。能优异。能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种快充石墨负极材料的制备方法及其产品和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，尤其涉及一种用于快充型锂离子电池石墨负极材料的制备方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]经过二十多年的产业化培育和发展，新能源技术及行业得到长足发展。据统计，2020年中国市场新能源汽车销量131万辆，渗透率5.2%，新能源汽车销量和渗透率均呈现出加速发展态势。但电动车的充电性能满足不了日常人们出行需求，电动车对于快充性能要求越来越高。作为锂离子电池负极材料石墨材料，其成本低，环境友好，充放电电压低，稳定性好成为目前商业化程度最高的负极材料。但石墨材料的片层层间距较小，无法满足大倍率电流的充电需求，且容易出现析锂现象，严重影响锂离子电池的快充性能。
[0003]快充性能的提升思路通常基于材料结构设计、包覆层优化，改善锂离子进出通道，降低内阻，减少极化，实现较优的动力学性能。例如材料的结构直接影响锂离子固相扩散过程，尤其是材料的结晶度、微晶晶界以及结构中存在的缺陷。因此在材料结构和选型上，一方面，材料本体的晶粒要小，孔隙率较大以增大锂离子的通道，利于锂离子在材料中的快速嵌入。另一方面材料的电导率要高，有利于锂离子脱出速率快。尽管目前有各种各样的石墨负极材料，但还无法完全满足电动汽车对快充性能的要求。
[0004]因此，本领域亟需开发一种快充性能理想，同时循环性能佳、制备工艺简单的锂离子电池石墨负极材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中采用石墨颗粒结构设计及各种表面修饰改性制得锂离子电池负极材料快充性能仍旧不能满足电动车快充性能的要求，快充性能不够理想的问题；本专利技术的第一技术目的是提供一种表面包覆改性的快充石墨负极材料的制备方法；本专利技术的第二技术目的是提供提供一种新的结构设计、表面包覆改性的快充石墨负极材料的应用。
[0006]采用这种结构设计和表面包覆改性的石墨负极材料的锂离子电池快充性能佳，倍率性能好，循环性能优异，作为乘用车动力电池使用，可以满足快充需要。
[0007]本专利技术的第一技术目的是通过以下技术方案解决的：本专利技术提供一种快充石墨负极材料的制备方法，其包括如下步骤：1）取石油焦或针状焦或中间相碳微球生球，或上述两者混合料，采用机械磨、气流磨或辊压磨进行粉碎、分级或整形处理，得到具备一定粒形（球形度、长径比、凸度）特征的碳微粉A；其中，所述两种混合料的质量比范围为4：6～7：3；其中，所述球形度限定为S10：0.7500
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0.7700，S50：0.8200
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0.8300，S90：0.8600
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0.8700；
其中，所述宽长比限定为S10：0.650
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0.700，S50：0.800
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0.840，S90：0.900
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0.950；其中，所述凸度限定为S10：0.9000
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0.9100，S50：0.9300
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0.9400，S90：0.9700
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0.9800；其中，所述碳微粉A中值粒径D50为5.0～15.0um；2）将碳微粉A放入石墨化炉，进行高温石墨化处理，得到石墨化料；石墨化料经过325目筛筛分处理，得到本专利技术需要的石墨化料B；其中，石墨化选用石墨化炉设备，可以是艾奇逊炉、内串炉、箱体炉中任何一种；更优选为本专利技术特定的石墨化炉；其中，所述石墨化炉温度最高恒温温度设定为3000℃，所述3000℃石墨化时间为4h；3）在酸性水溶液体系中，对石墨化料B进行微膨胀化处理：取石墨化料B，加入酸性溶液体系中，在水浴锅中于30
‑
40℃反应25
‑
35 min，过滤，洗涤，烘干后获得微膨胀石墨；其中，所述酸性水溶液体系为无机和有机混合酸体系，无机酸为硫酸，有机酸为可溶于水溶液体系的磺酸（R
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SO3H）或全卤代羧酸；其中，所述微膨胀处理后的石墨微粉进行多次水洗，直至pH为6.5
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7.0，烘干；其中，所述烘干后的微膨胀石墨微粉层间距d002值0.3390
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0.3495nm；其中，所述无机和有机混合酸的比例为：1：1～1：3；4）取乙烯裂解焦油置于反应器中，按一定比例加入苯甲醛、对甲基苯磺酸，在惰性气体保护下，在连续搅拌下，以一定升温速率及温度条件下进行反应，直至反应体系黏度逐渐增大无法搅拌，停止反应，得到多核富芳固体炭材料。对固体炭材料进行粉碎，得到粉体炭材料；其中，分级设备选用本行业常规分级设备或整形设备，对炭素材料进行分级或整形处理；其中，所述反应器为一切常规反应器，只要可以搅拌及加热即可；其中，所述乙烯裂解焦油可以是本领域常规使用的乙烯裂解焦油，一般可为大庆石化、抚顺石化、锦州石化、齐鲁石化所产乙烯裂解油浆；其中，所述苯甲醛、对甲基苯磺酸比例为1：1～0.5：1；苯甲醛与对甲基苯磺酸混合剂与乙烯裂解焦油比例为4%～8%；其中，所述惰性气体为氮气或氩气，优选为氮气；其中，所述一定升温速率为3℃/min～5℃/min,优选升温速率3℃/min；其中，所述反应温度为130℃～180℃，优选反应温度为150℃；其中，所述粉碎设备为机械粉碎、气流粉碎，优选气流粉碎；其中，所述粉体炭材料中值粒径为D50：4.0～6.0um，优选中值粒径D50：5.0um；5）将步骤3）中所烘干微膨胀石墨微粉与步骤4）中所制备多核富芳炭粉体按一定比例进行混合，在碳化炉中进行碳化处理；碳化料冷却之后过筛处理，得到一种快充石墨负极材料；其中，所述微膨胀石墨微粉与多核富芳炭粉比例为：95：8～95：20；其中，所述碳化炉为本领域该类操作的常规条件和方法，一般可在管式炉、箱式炉、马弗炉、坩埚炉中进行；
其中，所述碳化温度为1000～1300℃，优选1000～1100℃；其中，所述碳化时间为3～5h，优选3h；其中，所述碳化料筛分处理，所用标准筛采用325～400目标准筛，取筛下料，筛分所得碳化料中值粒径D50：7.0～16.0um，优选8.0～12.0um；其中，更优选地，取石墨微粉，加入酸性溶液体系中，在水浴锅中于35℃反应30 min，过滤，洗涤，烘干后获得微膨胀石墨。
[0008]本专利技术特定的石墨化炉，包括炉机构以及封盖机构，所述封盖机构设置于所述炉机构的一侧；所述炉机构包括炉盖、炉体、支撑架和真空泵，所述炉体的外侧顶部固定连接有第一固定环，所述炉盖的外侧底部固定连接有第二固定环，所述支撑架安装于所述炉体的底部，所述真空泵的吸气端通过管道与所述炉体相连通；所述封盖机构包括侧架、第一电机、转轴、主动齿轮、从动轮、液压油缸、液压杆、升降板、第二电机、丝杆、压块和压杆，所述第一电机通过螺栓固定连接于所述侧架上，所述转轴与所述第一电机的输出轴相焊接，所述主动齿轮焊接于所述转轴上，所述侧架的顶部与所述从动轮转动连接，所述主动齿轮与所述从动轮相啮合，所述从动轮上通过螺栓与所述液压油缸的底部固定连接，所述液压油缸的输出轴与所述液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）对炭素材料进行分级或整形处理，得到具备一定粒形特征的碳微粉A；其中，所述炭素材料中值粒径D50为5.0～15.0um；将碳微粉A放入石墨化炉，进行高温石墨化处理，得到初级石墨化料；初级石墨化料经过筛分处理，得到石墨化料B；3）在酸性水溶液体系中，对石墨化料B进行微膨胀化处理；4）取乙烯裂解焦油置于反应器中，按一定比例加入苯甲醛、对甲基苯磺酸，在惰性气体保护下，连续搅拌，以一定升温速率及温度条件进行反应，直至反应体系黏度逐渐增大至无法搅拌，停止反应，得到多核富芳固体炭材料；对固体炭材料进行粉碎，得到粉体炭材料；5）将步骤3）中所得的微膨胀石墨微粉与步骤4）中所制备多核富芳炭粉体材料按一定比例进行混合，在碳化炉中进行碳化处理获得碳化料，碳化料冷却之后过筛处理，得到一种快充石墨负极材料。2.根据权利要求1所述的一种快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）所述炭素材料为石油焦或针状焦或中间相碳微球生球，或上述两者混合料，所述两种混合料的质量比范围为4：6～7：3。3.根据权利要求1所述的一种快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1）粒形特征包括球形度、长径比、凸度；所述球形度限定为S10：0.7500
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0.7700，S50：0.8200
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0.8300，S90：0.8600
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0.8700；所述宽长比限定为S10：0.650
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0.700，S50：0.800
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0.840，S90：0.900
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0.950；所述凸度限定为S10：0.9000
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0.9100，S50：0.9300
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0.9400，S90：0.9700
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0.9800。4.根据权利要求1所述的一种快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）微膨胀化处理具体包括取石墨微粉，加入酸性...

【专利技术属性】
技术研发人员：金海侹，胡博，吕猛，刘锐剑，
申请(专利权)人：中钢热能金灿新能源科技湖州有限公司，
类型：发明
国别省市：