一种快充石墨负极材料、其制备方法及锂离子电池技术

本发明专利技术公开了属于锂离子电池的技术领域，具体涉及一种快充石墨负极材料、其制备方法及锂离子电池，锂离子电池负极材料为石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔改性石墨，石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔包覆于石墨颗粒的表面，石墨烯/碳纳米管复合物占改性石墨的质量百分数为0.1

【技术实现步骤摘要】
一种快充石墨负极材料、其制备方法及锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池的
，具体涉及一种快充石墨负极材料、其制备方法及锂离子电池。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]锂离子电池为可充电式电池，其由正极、负极、隔膜、电解液四大主材和其他辅材组成。其中，石墨是目前商业化的锂离子电池的主要负极材料。随着近年电动汽车的迅速增长，伴随着续航焦虑，“充电难、充电慢”的新问题日益突出。由于锂离子电池的整体能量密度不能无限提升，所以只能通过提升充电速度来缓解上述问题，快充石墨负极材料的需求也随之爆发式增长。
[0004]由于C原子的SP2杂化，石墨呈现层状结构，锂离子只能从石墨层的边缘嵌脱，无法从垂直石墨层的方向进出，这是影响石墨快充的根本原因。此外，在快充时，电化学极化增大，锂离子如若来不及扩散进入石墨层间时，会在负极电极表面还原成金属锂，其枝晶结构极易刺穿隔膜，从而造成电池内部短路，导致安全事故；更为关键的是，快充时，由于大电流的缘故，导致电池快速升温，一方面可能导致温升无法匹配系统的温度阈值，同时也可能导致电池的快速老化，带来性能降低及增大安全风险等问题。
[0005]业界通常采用颗粒结构设计和表面改性的方法来实现石墨的快充：如，将石油焦/沥青焦和沥青混合
‑
捏合
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高温石墨化处理之后得到二次颗粒结构的人造石墨材料；如，将金属和/或金属化合物负载在石墨上，将负载有催化剂的石墨与反应气进行反应，得到具有多孔结构的石墨负极材料；如，将石墨与改性剂混合造粒
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石墨化
‑
包覆，得到类球形快充石墨负极材料。
[0006]专利技术人发现，以上技术通过结构改性或表面包覆，仅仅优化了锂离子的嵌入/脱出空间，但其在快速充电下的温升及安全问题，并没有实质性的改善。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种快充石墨负极材料、其制备方法及锂离子电池，该锂离子电池负极材料在提升快充性能的同时，还可以有效提升电池的安全性能。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0009]第一方面，本专利技术提供快一种充石墨负极材料，为石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔改性石墨，石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔包覆于石墨颗粒的表面，石墨烯/碳纳米管复合物占改性石墨的质量百分数为0.1
‑
1％；石墨炔占改性石墨的质量百分数为0.05
‑
0.5％；
[0010]石墨烯/碳纳米管复合物中，石墨烯与碳纳米管的质量比为1:1～5:1。
[0011]第二方面，本专利技术提供所述快充石墨负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012]将石墨烯/碳纳米管复合物与石墨按比例混合均匀后，对混合粉体进行机械融合加工，使石墨烯/碳纳米管复合物解聚后包覆于石墨基底上，得到负载有石墨烯/碳纳米管复合物的石墨复合粉体；
[0013]将负载有石墨烯/碳纳米管复合物的石墨复合粉体与石墨炔按比例混合均匀后，进行机械融合，将石墨炔解聚后包覆于石墨基底上，即得负极材料；
[0014]机械融合机的转速为100
‑
1800rpm，刀具间隙宽度为0.1
‑
0.5cm，融合时间0.5
‑
2h。
[0015]第三方面，本专利技术提供一种锂离子电池，其负极材料为所述快充石墨负极材料。
[0016]上述本专利技术的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
[0017]石墨炔的超大层间距及平面的大圆环结构，可以快速有效地提供更多的Li离子嵌脱位，提升快充性能的同时，降低析锂风险；其次，石墨烯/碳纳米管的超高导电能力，可以有效提升电子传输速率，加快电化学反应速率，提升快充性能。再者，由于电芯在服役过程中，其欧姆阻抗基本变化不大，由于老化带来的电化学阻抗会逐渐增大，表现突出的是电荷传递阻抗。这会导致在循环老化过程中，特别在快充时，产热量会逐渐增大。石墨烯/碳纳米管由于其优异的导电及散热的功能，一方面可以降低电荷传递阻抗，降低热量的产生；另一方面，可以将产生的热量快速通过集流体传递到电芯表面，避免热量的累积，有效降低电芯的温升，提升安全性能。
[0018]石墨烯的片径为1
‑
10μm，而石墨炔的片径为10
‑
100nm，单个石墨烯和石墨炔的面积比往往在50倍左右。因此，为了能够使石墨烯和石墨炔同时起到相应作用，采用先将石墨烯/碳纳米管和石墨进行机械混合，使得石墨表面先覆盖一层石墨烯/碳纳米管，提升石墨的导电性能和散热性能，然后再在石墨最外面包覆石墨炔，由于石墨炔的超大层间距(0.365nm)及平面的多碳原子组成的共轭大π键体系，可以显著降低锂离子界面去溶剂化界面能阈值，并且快速有效地提供更多的Li离子嵌脱位。
[0019]石墨烯/碳纳米管复合物相对于单一石墨烯，不但能够提升负极的导电和散热性能，还能够加强石墨自身以及石墨颗粒之间的机械性能，增强整个负极极片的机械抗压性能以及负极循环性能。
附图说明
[0020]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0021]图1是实施例1中制备的快充石墨复合粉体B的SEM图；
[0022]图2是实施例1中石墨烯/碳纳米管形貌图；
[0023]图3是实施例1中制备的快充石墨复合粉体B快充石墨的结构示意图；
[0024]图4是实施例1中石墨烯/碳纳米管局部放大形貌图；
[0025]图5是实施例1中石墨炔表面形貌图；
[0026]图6是纽扣电池充放电性能图。
[0027]图7是实施例1与对比例1、2的纽扣电池的嵌锂曲线(a)以及局部放大图(b)。
具体实施方式
[0028]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另
有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0029]第一方面，本专利技术提供一种快充石墨负极材料，为石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔改性石墨，石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔包覆于石墨颗粒的表面，石墨烯/碳纳米管复合物占改性石墨的质量百分数为0.1
‑
1％；石墨炔占改性石墨的质量百分数为0.05
‑
0.5％；
[0030]石墨烯/碳纳米管复合物中，石墨烯与碳纳米管的质量比为1:1
‑
5:1。
[0031]为提升现有石墨的更高快充性能，以及解决现有技术中快充石墨温升高及安全风险问题，本专利技术中，通过在石墨表面包覆石墨炔和石墨烯/碳纳米管复合物，运用石墨炔的超大层间距(0.365nm，石墨为0.335nm)和多个(一般都超过6个，如18个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快充石墨负极材料，其特征在于：为石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔改性石墨，石墨烯/碳纳米管复合物和石墨炔包覆于石墨颗粒的表面，石墨烯/碳纳米管复合物占改性石墨的质量百分数为0.1
‑
1％；石墨炔占改性石墨的质量百分数为0.05
‑
0.5％；石墨烯/碳纳米管复合物中，石墨烯与碳纳米管的质量比为1:1
‑
5:1。2.根据权利要求1所述的快充石墨负极材料，其特征在于：所述石墨炔暴露于负极材料最外侧。3.根据权利要求1所述的快充石墨负极材料，其特征在于：石墨烯/碳纳米管复合物占改性石墨的质量百分数为0.2
‑
0.8％；优选为0.5％。4.根据权利要求1所述的快充石墨负极材料，其特征在于：石墨炔占改性石墨的质量百分数为0.1
‑
0.3％，优选为0.25％。5.根据权利要求1所述的快充石墨负极材料，其特征在于：所述石墨的D50粒径为5
‑
15μm。6.根据权利要求1所述的快充石墨负极材料，其特征在于：石墨烯的厚度为1
‑
10nm，片径为1
‑
10μm；碳纳米管管径为10
‑
100nm，长度100
‑
1500nm。7.根据权利要求1所述的快充石墨负极材料，其特征在于：石墨炔的厚度为1
‑
10nm，片径为10
‑
100nm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳兴，苏航，
申请(专利权)人：安徽得壹能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：