一种煤质原料锂离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及负极材料技术领域，尤其涉及一种煤质原料锂离子电池负极材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：将煤质原料和有机包覆材料均匀混合，得到混合物料；所述混合物料在惰性或还原气氛下依次进行梯度升温、梯度降温完成碳化；将碳化后的物料进行石墨化，得到所述煤质原料锂离子电池负极材料。采用有机包覆材料对煤质原料颗粒进行包覆预处理，再进行高温石墨化，得到高石墨化度核心、低石墨化度表层的核壳结构负极材料，该方法可以改善煤质原料石墨化后的表面缺陷、提高振实、降低比表，从而改善材料加工性能及首次效率和循环性能；同时在包覆过程中无需采用高温、高压环境，简单易行，成本低廉。成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种煤质原料锂离子电池负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及负极材料
，尤其涉及一种煤质原料锂离子电池负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池因具有工作电压高、能量密度高、安全性能好、循环寿命长和环保无毒等优势，被称为绿色新能源产品，目前，锂离子电池广泛应用于消费电子、电动工具、电动汽车以及储能电站等领域，且随着电动汽车和风光储能的爆发式发展，高工锂电预测未来五年市场对动力及储能电池的需求年复合增长率超过50％，随之而来的是对负极材料的需求大涨。
[0003]而传统负极原料如低硫石油焦、针状焦等供应量有限、成本偏高，已经成为制约动力及储能市场进一步发展的重要因素，因此，有必要开发一种供应量大、成本低廉的新型负极原料。
[0004]无烟煤、烟煤等煤质原料分布广泛、储量巨大、成本低廉，较传统人造石墨原料具有明显优势，且煤质原料尤其是无烟煤具有碳量高、杂质相对少、易石墨化等优点，是理想的人造石墨原料。但煤质原料硬度高，经过粉碎后比表面积大；并且煤质原料的灰分高，石墨化过程中，氧化物及氮、硫等杂元素气化去除后将产生大量缺陷，导致制成的负极材料首次效率低、循环性能差。为改善煤质原料的以上缺点，专利技术专利CN101651199A公开了一种锂电池碳负极材料及其制备方法，该方法将无烟煤和包覆材料进行液相包覆，然后进行加压聚合反应，通过减少颗粒内部缺陷，改善首次效率和循环性能；但该方法采用液相包覆工艺复杂、成本较高、难以进行工业化量产。专利技术专利CN111146417A公开了一种快充型锂离子电池球形石墨负极材料及其制备方法，该方法采用石墨化无烟煤颗粒通过无定形碳包覆组成二次颗粒团聚体，改善材料的快充性能；但该方法工序复杂，成本偏高，颗粒表面为不定型碳结构，首次效率及循环性能受到一定影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提供一种煤质原料锂离子电池负极材料及其制备方法，旨在改善现有的采用烟煤制备负极材料的方法，工艺复杂，成本较高，且制得的负极材料首次效率和循环性能较差的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：将煤质原料和有机包覆材料均匀混合，得到混合物料；
[0007]所述混合物料在惰性或还原气氛下依次进行梯度升温、梯度降温完成碳化；
[0008]将碳化后的物料进行石墨化，得到所述煤质原料锂离子电池负极材料。
[0009]本方案中的煤质原料与有机包覆材料在常温、常压下混合均匀，无需在高温高压下进行聚合反应，降低了生产成本，且工艺更为简单；包覆完成的混合物料在惰性气体或还原气氛下进行碳化，碳化过程采用梯度升温和梯度降温，使碳化后的物料具有更好的性能，
特别是首次效率及循环性能有所改善；碳化完成后，再进行高温石墨化，石墨化后的物料还可进行筛分和除磁，最终获得煤质原料锂离子电池负极材料。
[0010]煤质原料和有机包覆材料可采用如下混合设备：VC混合机、卧式混合机、融合包覆机、球磨机、造粒釜。碳化时可采用回转窑、隧道窑、辊道窑炉等的一种。梯度降温方式可采用风冷或水冷。高温石墨化可采用的设备包括艾奇逊石墨化炉、箱式炉、连续石墨化炉中的一种。惰性气氛可采用氩气气氛下进行碳化。
[0011]优选地，所述梯度升温过程包括：第一阶段：由室温升温至200
‑
300℃，升温速率为4
‑
6℃/min；
[0012]第二阶段：由200
‑
300℃升温至300
‑
1000℃，升温速率为3
‑
4℃/min；
[0013]第三阶段：由300
‑
1000℃升温至1000
‑
1400℃，升温速率为1
‑
2℃/min。采用阶段式的梯度升温方法进行碳化，可使有机包覆材料对煤质原料的包覆效果更好，包覆完成后的混合物料中的碳层的排序更为有序化，最终的产物负极材料的性能更佳。
[0014]优选地，梯度升温至最高温度后，保温4
‑
10h。同样的，保温过程能使包覆后的混合物料完全碳化，进一步提升最终产物负极材料的性能。
[0015]优选地，所述梯度降温过程包括：第一阶段：由1000
‑
1400℃降温至950
‑
1100℃，降温速率为2
‑
4℃/min；
[0016]第二阶段：由950
‑
1100℃降温至室温，降温速率为4
‑
7℃/min。综上，本方案优选梯度升温和梯度降温参数，可以将负极才材料的性能提升到较佳的范围。
[0017]优选地，所述石墨化的温度为3000℃。在高温下石墨化，使碳原子由不规则状态转变为规则排列的状态，使石墨化微晶机构发育更为完善，获得的负极材料性能更好。
[0018]优选地，混合时，所述煤质原料与所述有机包覆材料的质量比为100:(5
‑
20)。限定在上述质量比时，有机包覆材料对煤质原料的包覆效果更好。
[0019]优选地，所述有机包覆材料为沥青、树脂或高分子聚合物中的至少一种。
[0020]优选地，所述沥青包括煤沥青、石油沥青、碳纤维可纺沥青、粘接沥青或道路沥青中的至少一种；
[0021]所述树脂包括环氧树脂或酚醛树脂中的至少一种；
[0022]所述高分子聚合物包括聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈或聚酰胺中的至少一种。
[0023]优选地，所述煤质原料为无烟煤、烟煤、褐煤中的至少一种。采用煤质原料作为负极材料的主要制备原料，成本较低，且同样具有较好的性能。
[0024]优选地，所述煤质原料的粒径D50为5
‑
30μm，所述有机包覆材料的粒径D50为1
‑
10μm。煤质原料和有机包覆材料控制在上述粒径时，具有较好的包覆效果。
[0025]优选地，所述煤质原料与所述有机包覆材料混合的设备可以为VC混合机、卧式混合机、融合包覆机、球磨机、造粒釜等混合设备中的一种。
[0026]除此之外，本专利技术还提出一种煤质原料锂离子电池负极材料，由上述任一项所述的煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法制备得到，所述煤质原料锂离子电池负极材料为核壳结构，包括核体和包覆于所述核体的壳体，所述核体的石墨化度＞所述壳体的石墨化度。该煤质原料锂离子电池负极材料由上述煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法制备得到，参照上述方案，由于煤质原料锂离子电池负极材料采用了上述全部技术方案，因此
至少具有上述技术方案所带来的所有效果，在此不再一一赘述。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法具有以下有益效果：采用有机包覆材料对煤质原料颗粒进行包覆预处理，再进行高温石墨化，得到一种高石墨化度核心、低石墨化度表层的核壳结构负极材料。该方法可以改善煤质原料石墨化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将煤质原料和有机包覆材料均匀混合，得到混合物料；所述混合物料在惰性或还原气氛下依次进行梯度升温、梯度降温完成碳化；将碳化后的物料进行石墨化，得到所述煤质原料锂离子电池负极材料。2.根据权利要求1所述的一种煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述梯度升温过程包括：第一阶段：由室温升温至200
‑
300℃，升温速率为4
‑
6℃/min；第二阶段：由200
‑
300℃升温至300
‑
1000℃，升温速率为3
‑
4℃/min；第三阶段：由300
‑
1000℃升温至1000
‑
1400℃，升温速率为1
‑
2℃/min。3.根据权利要求1或2所述的一种煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，梯度升温至最高温度后，保温4
‑
10h。4.根据权利要求1所述的一种煤质原料锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述梯度降温过程包括：第一阶段：由1000
‑
1400℃降温至950
‑
1100℃，降温速率为2
‑
4℃/min；第二阶段：由950
‑
1100℃降温至室温，降温速率为4
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：童晖，梁丽春，周娟，张翼，
申请(专利权)人：兰州格瑞芬碳材料有限公司，
类型：发明
国别省市：