一种含氮人造石墨负极材料及其制备方法、应用和电池技术

本发明专利技术公开了一种含氮人造石墨负极材料及其制备方法、应用和电池。该含氮人造石墨负极材料的制备方法，其包括如下步骤：S1、将含氮有机碳源与人造石墨骨料前驱体A按质量比为(1～10):100进行均匀混料，制得前驱体B；S2、对所述前驱体B进行煅烧热处理即可；所述煅烧热处理的升温速率为2～3℃/min；所述煅烧热处理的温度为500～1100℃。采用本发明专利技术的制备方法制得的含氮人造石墨负极材料在保证高能量密度的同时，传送速率得到充分提升，结合位点得到充分改善，实现了高能量密度和高倍率性能的效果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
一种含氮人造石墨负极材料及其制备方法、应用和电池


[0001]本专利技术涉及一种含氮人造石墨负极材料及其制备方法、应用和电池。

技术介绍

[0002]随着新能源行业的发展，锂离子电池成为众多储能装备的首选，其中负极材料的选择也多种多样。而人造石墨负极材料脱锂电位低(～0.1V vs.Li/Li
+
)、理论容量较高(372mAh g
‑1)、循环稳定性及安全性能较好，且工艺成熟，因此人造石墨负极未来依然会是锂离子电池商业化的主力材料之一。但是，随着消费类电子市场的快速发展，人们对锂离子电池的要求越来越高，致使锂离子电池负极材料需同时具备高能量密度、高倍率、低循环膨胀等性能，这增加了人造石墨开发的难度。虽然人造石墨负极材料本身具备良好的导电性和优异的电化学稳定性，但是因其本身层间距较小，在保证高能量密度的前提下无法满足大电流快速充电要求，且较易析锂，这严重影响电池的寿命且存在不安全的风险。故使材料在保证高能量密度的同时，又兼具快充性能，对锂离子电池的发展具有重要的意义。
[0003]目前国内外研究人员在人造石墨表面修饰方面进行了许多探索，但是这些简单修饰难以在石墨内引入活性位点，故改性效果有限。因此，如何有效地引入石墨的活性位点是改善石墨电化学性能的关键所在。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中锂离子电池无法满足大电流快速的充电要求，且循环容量保持率低，制备得到的电池存在寿命短、不安全的缺陷，从而提供了一种含氮人造石墨负极材料及其制备方法、应用和电池。本专利技术制备得到的含氮人造石墨负极材料兼顾高能量密度和高倍率性能，应用于电池时具有低膨胀、不析锂的特点。
[0005]本专利技术主要通过以下技术方案解决上述技术问题：
[0006]本专利技术提供了一种含氮人造石墨负极材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0007]S1、将含氮有机碳源与人造石墨骨料前驱体A按质量比为(1～10):100进行均匀混料，制得前驱体B；
[0008]S2、对所述前驱体B进行煅烧热处理即可；所述煅烧热处理的升温速率为2～3℃/min；所述煅烧热处理的温度为500～1100℃。
[0009]S1中，所述含氮有机碳源可为尿素、三聚氰胺、氨基酸、聚酰亚胺、聚苯胺和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，较佳地为三聚氰胺和/或氨基酸，例如三聚氰胺。
[0010]S1中，所述人造石墨骨料前驱体A的Dv50可为9～18μm，较佳地为9～13μm，例如12.7μm。
[0011]S1中，所述人造石墨骨料前驱体A的制备方法可为本领域常规，较佳地，具体地可通过如下步骤：将人造石墨骨料与硬碳包覆剂的混合物进行炭化即可。
[0012]其中，所述人造石墨骨料与所述硬碳包覆剂的质量比可为100:(1～15)，较佳地为100:(1～10)，例如100:5。所述混合反应中，降低硬碳的用量，可进一步保证硬碳包覆均一
性，能够为保证高首效的稳定发挥提供基础。
[0013]其中，所述人造石墨骨料的Dv50可为7～15μm，较佳地为7～13μm，例如8.5μm。
[0014]其中，所述人造石墨骨料可采用本领域常规的方法制备，较佳地，可通过如下步骤制得：原料焦经粉碎处理得到物料a，所述物料a经整形分级处理得到物料b；所述物料b经热处理得到物料c；所述物料c经石墨化处理得到物料d；将所述物料d进行混料、筛分处理，即可。
[0015]所述原料焦可为石油焦，较佳地为石油系针状焦。
[0016]所述粉碎处理一般可在辊压磨或机械磨粉中进行。所述粉碎处理有助于提升锂离子在负极人造石墨中的扩散速率。
[0017]所述整形分级一般可在连续式或间歇式整形分级设备中进行。所述整形分级处理有助于优化所述针状焦的长径比和凹凸度。
[0018]所述整形分级的次数可为本领域常规，较佳地，至少为两次，例如两次、三次，更佳地为三次。通过多次整形，物料a的形貌能够更加规整、粒径分布更窄、振实密度更大，人造石墨骨料的各项性能更稳定。
[0019]所述物料b的Dv50可为8～9μm，例如8.5
±
0.3μm。
[0020]所述物料b经热处理一般可在包覆釜中进行，较佳地为立式包覆釜。
[0021]所述物料b经热处理的温度可为300～900℃，较佳地为400～800℃，例如650℃。所述热处理过程排除了反应中的挥发分。
[0022]所述物料b经热处理的保温时间可为300～400min，例如360min。
[0023]所述石墨化的温度可为2600℃～3300℃，较佳地为2800℃～3300℃，例如2800℃。所述石墨化有助于稳定骨料本身的高能量密度性能，但温度过高会使得后续制得的人造石墨负极材料的倍率降低。
[0024]所述混料、筛分处理可以提高物料b的均一性。
[0025]所述筛分处理的方式可为本领域常规，例如采用超声振动筛。
[0026]所述筛分处理的目数可为300～450目，例如350目。
[0027]其中，所述硬碳包覆剂的种类可为本领域常规，较佳地为煤焦油。
[0028]所述煤焦油的结焦值可为10～20％，较佳地为15％～17％，例如16％。所述煤焦油的结焦值越低，最终产品中的残炭越少。
[0029]所述煤焦油的闪点可为60～100℃，较佳地为85～95℃，例如90℃。
[0030]所述煤焦油的灰分可＜0.2％，较佳地＜0.1％。
[0031]其中，所述混合物一般可在融合机中混合而成。
[0032]所述融合机的转速可为100～1000rad/min，例如500rad/min。
[0033]所述融合机的混料时间可为5～30min，例如20min。
[0034]其中，所述炭化过程一般可在辊道窑中进行。
[0035]其中，所述炭化的气氛为惰性气氛，所述惰性气氛一般为在热处理时不与各个物料发生化学反应的气氛，不局限于惰性气体，还可以为氮气。
[0036]其中，所述炭化升温速率可为1.0～4.0℃/min，例如2.0℃/min或2.5℃/min，较佳地为2.5℃/min。
[0037]其中，所述炭化温度可为800～1500℃，较佳地为1000～1300℃，例如1050℃。
[0038]其中，所述炭化时间可为60～720min，较佳地为180～360min，例如240min。
[0039]其中，所述炭化过程较佳地还包括降温的后处理，所述降温后的温度较佳地为20～25℃。
[0040]S1中，所述含氮有机碳源和所述人造石墨骨料前驱体A的质量比可为(1～5):100，较佳地为(1～3):100，例如1:100、2:100或3:100。
[0041]S1中，所述含氮有机碳源和所述人造石墨骨料前驱体A的均匀混料方法可为固相混料法和液相混料法，较佳地为液相混料法。
[0042]当均匀混料方法为液相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氮人造石墨负极材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、将含氮有机碳源与人造石墨骨料前驱体A按质量比为(1～10):100进行均匀混料，制得前驱体B；S2、对所述前驱体B进行煅烧热处理即可；所述煅烧热处理的升温速率为2～3℃/min；所述煅烧热处理的温度为500～1100℃。2.如权利要求1所述的含氮人造石墨负极材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述含氮有机碳源为尿素、三聚氰胺、氨基酸、聚酰亚胺、聚苯胺和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；和/或，S1中，所述人造石墨骨料前驱体A的Dv50为9～18μm；和/或，S1中，所述人造石墨骨料前驱体A通过如下步骤制得：将人造石墨骨料与硬碳包覆剂的混合物进行炭化即可；和/或，S1中，所述含氮有机碳源和所述人造石墨骨料前驱体A的质量比为(1～5):100；和/或，S2中，所述煅烧热处理温度为600℃或800℃。3.如权利要求1所述的含氮人造石墨负极材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述含氮有机碳源为三聚氰胺和/或氨基酸，例如三聚氰胺；和/或，S1中，所述人造石墨骨料前驱体A的Dv50为9～13μm，例如12.7μm；和/或，S1中，所述含氮有机碳源和所述人造石墨骨料前驱体A的质量比为(1～3):100，例如1:100、2:100或3:100；和/或，S2中，所述煅烧热处理温度为600℃或800℃。4.如权利要求1所述的含氮人造石墨负极材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述含氮有机碳源和所述人造石墨骨料前驱体A的均匀混料方法为固相混料法和液相混料法，较佳地为液相混料法；当均匀混料方法为液相混料法时，所述含氮有机碳源较佳地以含氮有机碳源溶液的形式存在；所述含氮有机碳源溶液的溶剂较佳地为甲醇；所述均匀混料的转速较佳地为100～1000rad/min，例如500rad/min；所述均匀混料时间较佳地为5～30min，例如20min；当均匀混料方法为固相混料法时，所述均匀混料的转速较佳地为50～300rad/min，更佳地为100～200rad/min，例如200rad/min；所述均匀混料时间较佳地为30～90min，例如60min；和/或，S1中，所述前驱体B的Dv50为9～18μm，较佳地为9～15μm，例如12.9μm、13.5μm、13.9μm、14.5μm或14.6μm；和/或，S2中，所述煅烧热处理的恒温时间为180～720min，较佳地为360min；和/或，S2中，所述煅烧热处理的气氛为氮气；和/或，S2中，所述煅烧热处理过程还包括降温的后处理，所述降温后的温度较佳地为20～25℃。5.如权利要求2所述的含氮人造石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述人造石墨骨料与所述硬碳包覆剂的质量比为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧欣，何坤，马坤，孙文婷，吴志红，
申请(专利权)人：宁波杉杉新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：