一种石墨负极材料及制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种石墨负极材料及制备方法和用途。所述制备方法包括：将石墨与固相包覆粒子进行一次混合，然后通过剪切力作用进行二次混合，碳化，得到所述石墨负极材料；其中，所述固相包覆粒子为沥青材料，所述沥青材料的软化点为40～300℃。本发明专利技术采用具有强剪切作用的设备，将相对软质的固相包覆剂粒子与石墨粒子摩擦、充分混合，固相包覆粒子因强剪切摩擦作用，其表面薄层逐渐脱落，又因石墨与包覆粒子良好的浸润性，从而黏附在石墨表面，因而大幅提升固相包覆剂对石墨的包覆效果，使得碳层致密而均匀地包覆，进而提升了石墨负极材料的首效和倍率性能，同时其快充性能也得到了提升。升。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨负极材料及制备方法和用途


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种石墨负极材料及制备方法和用途。

技术介绍

[0002]20世纪80年代，摇椅电池概念提出，随后碳负极锂离子电池开始萌芽，石墨与低温碳化负极材料不同，由于经过高温处理，石墨负极材料中杂原子、缺陷较少，因而库伦效率高达90％以上，外加上其较高的石墨化度，使得石墨负极的储锂机理为层插，故其放电平台宽广，利于产品使用。天然石墨和人造石墨负极材料理论容量为372mAh/g，目前市售优异的石墨负极材料的容量可达365mAh/g，因而石墨成为了锂电池中性能出色的负极材料。
[0003]然而，以层插为主要储锂机理的石墨负极材料，因其锂离子脱嵌只能沿石墨片层方向，也导致其倍率性能不佳，扣式电池中，其倍率一般不超过3C。对此，使用包覆剂对石墨表面进行包覆改性，以此构筑各向同性的薄碳层，以增加锂离子进入石墨的途径，成为了市面上主流的石墨负极材料的改性手段。
[0004]在工业化生产中，工艺简单、生产效率极高的固相包覆是最常用的包覆手段，但是常规的固相包覆品均匀度较差，包覆效果一般，生产出的制品性能稳定性不佳。
[0005]CN102255076A公开了一种表面包覆碳层的石墨材料、制备方法及作为锂离子电池负极材料的应用。所述方法包括：A、将作为包覆物的碳源与石墨粉以10:100的质量比充分混合均匀；作为包覆物的碳源为质量比为1:1的酚醛树脂碎粉与石油沥青粉末，石墨粉为经过球形处理的天然石墨粉；控制混合物的温度升温到120摄氏度，并在该温度维持搅拌3h；B、将步骤A的产物在氩气保护的环境下，于1100度的温度条件下完全碳化12h；将得到的产物经破碎分级，筛分出粒度D50为20um的产品；C、将步骤B的产物于2400度的温度条件下石墨化72小时。该文献中为常规的固相碳包覆石墨的方法，会出现包覆品均匀度较差，包覆效果一般，生产出的制品性能稳定性不佳的情况。
[0006]CN103647055A公开了一种环氧树脂改性石墨的负极材料及其制备方法，通过将有机硅改性的环氧树脂与天然石墨通过研磨、高温固化、炭化和粉碎，得到一种环氧树脂改性天然石墨的材料，虽然能够阻止大体积溶剂分子的共嵌入，但是高温热解易结块，粉碎也会破坏包覆效果，使石墨表面包覆不均匀以及包覆层被破坏的现象，最终不能实现很好的包覆效果。
[0007]因此，如何使得碳层均匀且致密的包覆于石墨材料表面，进而提升石墨负极材料的电化学性能，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种石墨负极材料及制备方法和用途。本专利技术采用具有强剪切作用的设备，将相对软质的固相包覆剂粒子与石墨粒子摩擦、充分混合，固相包覆粒子因强剪切摩擦作用，其表面薄层逐渐脱落，又因石墨与包覆粒子良好的浸润性，从而黏附在石墨表面，因而大幅提升固相包覆剂对石墨的包覆效果，使得
碳层致密而均匀地包覆，进而提升了石墨负极材料的首效和倍率性能，同时其快充性能也得到了明显提升。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种石墨负极材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0011]将石墨与固相包覆粒子进行一次混合，然后通过剪切力作用进行二次混合，碳化，得到所述石墨负极材料；
[0012]其中，所述固相包覆粒子为软化点为40～300℃的材料，例如，所述软化点可以为40℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250或300℃等。
[0013]本专利技术采用具有强剪切作用的设备，将相对软质的固相包覆剂粒子与石墨粒子摩擦、充分混合，固相包覆粒子因强剪切摩擦作用，其表面薄层逐渐脱落，又因石墨与包覆粒子良好的浸润性，从而黏附在石墨表面，因而大幅提升固相包覆剂对石墨的包覆效果，使得碳层致密而均匀地包覆，进而提升了石墨负极材料的首效和倍率性能，且本专利技术所提供的制备方法可实现连续化生产，较传统的“一锅式”固相包覆工艺，具有更高的生产效率。
[0014]本专利技术中，选用软化点为40～300℃的固相包覆粒子，再辅以强剪切力的作用，可以更好地实现固相包覆粒子被不断剥离并附着在石墨表面，其软化点要≥40℃，以免在加工过程中融为液态，而如果其软化点小于40℃，会导致固相包覆粒子因摩擦生热而软化，进而导致石墨团聚，不利于固相包覆粒子的均匀分散以及给设备驱动电机带来过高的负载；固相包覆粒子的软化点需要进一步地≤300℃，以免因其组分中小分子物质太少，而削弱了软碳前驱体与石墨的浸润性，以及在碳化过程中因小分子较少而使得包覆剂粘度较大，难以平铺于石墨表面。
[0015]本专利技术中，如果只进行一次混合，而不进行二次混合，则会导致固相包覆粒子与石墨仅为简单混合状态，导致后续碳化过程中，固相包覆粒子软化时也不能均匀包覆石墨；而如果只进行二次混合，不进行一次混合，则又难以实现固相包覆粒子均匀地分散在石墨之中，导致最终产品为软碳与石墨的相互共混品。
[0016]本专利技术所提供的制备方法，其制备环境为：温度不高于40℃，湿度＜75％，在该环境下，可以使固相包覆剂能良好地保持其形貌的环境。而较差的加工环境，如湿度较大时，固相包覆剂易吸水团聚，导致其加工性能变差，产品性能恶劣；温度较高时，固相包覆剂易发粘而团聚，不利于最终产品制备。
[0017]优选地，所述石墨负极材料的制备方法在保护性气氛下进行或在热空气条件下进行。
[0018]优选地，所述固相包覆粒子为沥青材料。
[0019]本专利技术中，选用沥青材料作为固相包覆粒子，再辅以强剪切力的作用，可以更好地实现固相包覆粒子被不断剥离并附着在石墨表面，相比于其他的包覆材料诸如环氧树脂，具有储存、使用方便，原料破碎简单以及成碳率高、碳化物碳层规整的优势，而沥青材料又要在加工过程中处于固态，因此其软化点要≥40℃，以免在加工过程中融为液态，而如果其软化点小于40℃，会导致固相包覆粒子因摩擦生热而软化，进而导致石墨团聚，不利于固相包覆粒子的均匀分散以及给设备驱动电机带来过高的负载；沥青材料的软化点需要进一步地≤300℃，以免因其组分中小分子物质太少，而削弱了软碳前驱体与石墨的浸润性，以及在碳化过程中因小分子较少而使得包覆剂粘度较大，难以平铺于石墨表面。
[0020]优选地，所述固相包覆粒子的软化点为50～150℃，例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等。
[0021]优选地，所述固相包覆粒子的中值粒径为2～10μm，例如2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。
[0022]优选地，所述石墨包括人造石墨和/或天然石墨。
[0023]优选地，所述沥青材料包括石油沥青、煤沥青或人造沥青中的任意一种或至少两种的组合。
[0024]优选地，所述固相包覆粒子与石墨的质量比为(5～20):(95～80)，例如5:95、10:90、15:85或20:8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将石墨与固相包覆粒子进行一次混合，然后通过剪切力作用进行二次混合，碳化，得到所述石墨负极材料；其中，所述固相包覆粒子的软化点为40～300℃。2.根据权利要求1所述的石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述固相包覆粒子为沥青材料；优选地，所述固相包覆粒子的软化点为50～150℃；优选地，所述固相包覆粒子的中值粒径为2～10μm；优选地，所述石墨包括人造石墨和/或天然石墨。3.根据权利要求2所述的石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述沥青材料包括石油沥青、煤沥青或人造沥青中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述固相包覆粒子与石墨的质量比为(5～20):(95～80)。5.根据权利要求1
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4任一项所述的石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述一次混合的时间为5～30min；优选地，所述一次混合通过混合设备进行；优选地，所述混合设备的混合频率为20～50Hz。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述通过剪切力作用进行二次混合的方式包括高速搅拌、捏合或螺杆挤出中的任意一种或至少两种的组合，优选为螺杆挤出；优选地，所述螺杆挤出通过带有螺杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖周杰，刘东海，王志勇，胡英杰，
申请(专利权)人：湖南中科星城石墨有限公司，
类型：发明
国别省市：