一种高能量密度快充石墨负极材料及其制备方法、负极片和电池技术

本申请提供一种高能量密度快充石墨负极材料及其制备方法、负极片和电池，涉及负极材料技术领域。所述石墨负极材料的制备方法先使用改性沥青对石墨颗粒进行造粒，得到由硬碳/软碳复合无定形碳交联的三维网状结构粘结而成的二次颗粒，二次颗粒再使用树脂与沥青的混合物进行包覆，形成一层硬碳/软碳复合无定形碳包覆层，硬碳/软碳复合无定形碳的石墨化程度介于软碳和硬碳之间，相较于硬碳包覆层更易被石墨化，得到的石墨负极材料具有高能量密度和超级快充性能，能兼顾材料的容量、首效、压实、膨胀和倍率性能。膨胀和倍率性能。膨胀和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度快充石墨负极材料及其制备方法、负极片和电池


[0001]本申请涉及负极材料
，尤其涉及一种高能量密度快充石墨负极材料及其制备方法、负极片和电池。

技术介绍

[0002]随着经济社会的快速发展，新能源汽车的不断普及和智能化电子产品的持续迭代更新，人们对于锂离子电池的需求和技术要求也越来越高。无论是对于新能源汽车所使用的锂离子电池，还是电子产品所使用的锂离子电池，对于锂离子电池的要求大致相同，都是在保证电池正常安全使用的前提下，需要做到电池具有高的能量密度，这可以保证新能源汽车和电子产品充满一次电具有较长续航里程和长时间待机；同时锂离子电池还需要具备快充性能，这可以保证电池充满一次电所花费的时间很短，增加用户的体验感。
[0003]目前新能源汽车续航和传统的燃油车差距已经不是很大，影响新能源汽车的大规模全面普及的最关键因素就是如何在高能量密度、高安全的前提下提高锂离子电池的快充性能，当新能源汽车充满一次电所耗费时间和传统燃油车加满一箱油所花时间基本相同时，那么新能源汽车相对于燃油车就具有非常明显的优势了。另外快充对于电子产品而言将在很大程度上提升产品的竞争力和用户体验感，因此如何在保证锂离子电池安全和高能量密度的前提下，做到高快充是当前整个行业都亟需解决的关键难题。
[0004]目前整个锂离子电池行业使用最为广泛的负极还是以石墨材料为主，占据了99%以上的负极市场份额，尽管石墨负极应用于锂离子电池的技术和市场各方面都非常成熟，但石墨负极材料在实际应用的过程中还存在诸多问题有待解决，例如克容量较低、过电位较低、充放电过程中易析锂、快充性能差和充放电过程中发生副反应产气等问题。
[0005]其中快充问题受到了研究人员的广泛关注，为了提高石墨材料的快充性能，科研工作者们尝试了多种方法，但是现有的方法通常只关注提高石墨负极材料的倍率性能，倍率性能提升的同时，往往带来的是容量的降低、首效的降低、比表面积增加、振实密度降低以及不可逆容量的增加等各方面性能的牺牲，“木桶效应”明显，因此如果不考虑石墨负极的其它性能，单单提高材料的倍率性能的方法和策略非常多，且效果也都非常明显，但在实际产业化应用中，更多考虑的是兼顾材料的各项性能指标，所以要兼顾材料的容量、首效、压实、膨胀和倍率性能等，在实际应用中对于材料性能的挑战是非常大的，难度是非常大的，要求也是非常高的。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种高能量密度快充石墨负极材料及其制备方法、负极片和电池，旨在解决现有的石墨负极材料不能兼顾材料的容量、首效、压实、膨胀和倍率性能等各项指标的问题。
[0007]为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种高能量密度超级快充石墨负极材料的制备方法，包括：将粉碎后的焦原料进行石墨化，得到第一前驱体；将沥青与高分子改性剂混合，在第一温度下处理得到改性沥青；将所述第一前驱体和所述改性沥青混合、造粒，并在第二温度下处理得到第二前驱体；将树脂与沥青混合均匀，得到第三前驱体；将所述第二前驱体与所述第三前驱体混合，高温碳化后过筛处理，再经分级、除磁处理得到所述高能量密度超级快充石墨负极材料。
[0008]在一些实施方式中，所述将粉碎后的焦原料进行石墨化之后还包括：将石墨颗粒与造孔剂混合进行煅烧，得到所述第一前驱体；石墨颗粒与造孔剂混合进行煅烧之后得到多孔石墨，多孔石墨表面具有缺陷，可以使得后续包覆效果更好。
[0009]所述将石墨颗粒与造孔剂混合进行煅烧，得到所述第一前驱体满足下述条件（1）
‑
（5）中的至少一个：（1）所述造孔剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钾、硫酸钾中的一种或几种；（2）所述造孔剂的掺混质量百分比为：5%
‑
40%；（3）所述混合的时间为30
‑
180 min，所述煅烧的温度为700
‑
1500 ℃，升温速率为2
‑
10 ℃/min，所述煅烧的时间为2
‑
6 h；所述煅烧过程中通入N2，N2流速为2
‑
10 mL/min；（4）所述第一前驱体的孔隙率B为：5%
‑
15%；所述第一前驱体的平均孔径C为：0.05
‑
50 nm；所述第一前驱体的孔容D为：0.002
‑
0.5 cm3；所述第一前驱体的比表面积F为：1
‑
10 m2/g；（5）当满足条件（4）后，所述第一前驱体的容量W和孔隙率B、石墨化度g之间的关系为：W
‑
5≤372*g+B*350≤W+5；所述孔隙率B和所述造孔剂加入量A之间的关系为：B*1.5≤A*5
‑
2≤B*2.5；所述比表面积F和孔隙率B、孔容D之间的关系为：F*1.5≤D*B*2≤F*3。
[0010]优选地，所述将粉碎后的焦原料进行石墨化，得到第一前驱体满足下述条件（6）
‑
（13）中的至少一个：（6）所述焦原料为油系针焦、煤系针焦、中高硫石油焦和石墨颗粒中的一种或几种；（7）所述粉碎后的焦原料先进行改性再进行石墨化，所述改性包括：将所述粉碎后的焦原料与焦原料改性剂按照质量比（80
‑
120）：1混合，在200
ꢀ‑
500℃热处理8
‑
15 h，得到改性后的焦原料；（8）在满足条件（7）后，所述焦原料改性剂由甲苯、硅酸钠、二氧化硅和硼酸按照质量比（2.5
‑
5.5）:（0.5
‑
1.5）:（1.2
‑
2.8）:（1.6
‑
3.0）混合得到；（9）在满足条件（7）后，所述改性后的焦原料的片状结构、纤维结构、镶嵌结构和广域结构占比分别为：（34%
‑
55%）：（8.5%
‑
20%）：（14%
‑
32%）（10%
‑
28%）；（10）所述焦原料先使用粗破机进行粗破，粗破至颗粒大小为0.2
‑
2.5 cm的小颗粒，粗破后的物料烘干后通过粉碎设备进行粉碎；（11）在满足条件（10）后，所述粗破机的筛网尺寸大小为20
‑
80目，所述烘干的温度为80
‑
150 ℃，所述烘干的时间为24
‑
48 h；
（12）在满足条件（10）后，所述粉碎设备的主机功率为10
‑
20 kW，内分级功率为：15
‑
30 kW，进料功率为2
‑
8 kW，引风功率为20
‑
40 kW，粉碎收率＞88%；（13）所述石墨化的温度为2800
‑
3500 ℃，所述石墨化的时间为4
‑
12 h，所述石墨化后的石墨化度g为92
‑
98%，所述石墨化度g与所述第一前驱体的容量E的关系为：E
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度超级快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于，包括：将粉碎后的焦原料进行石墨化，得到第一前驱体；将沥青与高分子改性剂混合，在第一温度下处理得到改性沥青；将所述第一前驱体和所述改性沥青混合、造粒，并在第二温度下处理得到第二前驱体；将树脂与沥青混合均匀，得到第三前驱体；将所述第二前驱体与所述第三前驱体混合，高温碳化后过筛处理，再经分级、除磁处理得到所述高能量密度超级快充石墨负极材料。2.根据权利要求1所述的高能量密度快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述将粉碎后的焦原料进行石墨化之后还包括：将石墨颗粒与造孔剂混合进行煅烧，得到所述第一前驱体；所述将石墨颗粒与造孔剂混合进行煅烧，得到所述第一前驱体满足下述条件（1）
‑
（5）中的至少一个：（1）所述造孔剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钾、硫酸钾中的一种或几种；（2）所述造孔剂的掺混质量百分比为：5%
‑
40%；（3）所述混合的时间为30
‑
180 min，所述煅烧的温度为700
‑
1500 ℃，升温速率为2
‑
10 ℃/min，所述煅烧的时间为2
‑
6 h；所述煅烧过程中通入N2，N2流速为2
‑
10 mL/min；（4）所述第一前驱体的孔隙率B为：5%
‑
15%；所述第一前驱体的平均孔径C为：0.05
‑
50 nm；所述第一前驱体的孔容D为：0.002
‑
0.5 cm3；所述第一前驱体的比表面积F为：1
‑
10 m2/g；（5）当满足条件（4）后，所述第一前驱体的容量W和孔隙率B、石墨化度g之间的关系为：W
‑
5≤372*g+B*350≤W+5；所述孔隙率B和所述造孔剂加入量A之间的关系为：B*1.5≤A*5
‑
2≤B*2.5；所述比表面积F和孔隙率B、孔容D之间的关系为：F*1.5≤D*B*2≤F*3。3.根据权利要求1所述的高能量密度快充石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述将粉碎后的焦原料进行石墨化，得到第一前驱体满足下述条件（6）
‑
（13）中的至少一个：（6）所述焦原料为油系针焦、煤系针焦、中高硫石油焦和石墨颗粒中的一种或几种；（7）所述粉碎后的焦原料先进行改性再进行石墨化，所述改性包括：将所述粉碎后的焦原料与焦原料改性剂按照质量比（80
‑
120）：1混合，在200
ꢀ‑
500℃热处理8
‑
15 h，得到改性后的焦原料；（8）在满足条件（7）后，所述焦原料改性剂由甲苯、硅酸钠、二氧化硅和硼酸按照质量比（2.5
‑
5.5）:（0.5
‑
1.5）...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宝亮，李子坤，黄友元，
申请(专利权)人：深圳市贝特瑞新能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：