梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种包覆的锂离子电池石墨负极材料及制备方法，尤其涉及超声喷雾制备梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料及制备方法。一种超声喷雾制备梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料，其主要特点在于包括有在石墨粉体的表面，第一层包覆硅材料，第二层包覆炭材料；其组成为：石墨粉体100重量份，硅材料1～10重量份，炭材料5～10重量份。本发明专利技术中的锂离子电池石墨负极材料，具有覆膜均匀、梯度包覆、易于规模化生产的特点。

【技术实现步骤摘要】
梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种包覆的锂离子电池石墨负极材料的方法，尤其涉及超声喷雾制备梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的方法。
技术介绍
近年来，锂离子电池以其高能量密度、高电压、无污染、长循环寿命、快速充放电等方面的优异性能和日趋降低的制作成本，使得锂离子电池的应用越来越普遍。随着信息产业的不断发展，对锂离子电池的要求也越来越高。长期以来，提高锂离子电池负极材料的比容量、减少首次不可逆容量，改善循环稳定性，提高快速充放电性能一直是业界研发的重点。锂离子二次电池的炭负极材料目前主要是石墨微粉。具体则分为人造石墨和天然石墨两种。其中，天然石墨有理想的层状结构，较高的电容量（＞350mAh/g），但其结构不稳定，易造成溶剂分子的共插入，使其在充放电过程中层片脱落，导致电池循环性能差，安全性差。而人造石墨，大多形状不规则，比表面积大（通常＞5m2/g），材料加工性能差，首次效率低。因此，为了克服天然石墨和人造石墨各自性能的不足，目前，一般都是对天然石墨或人造石墨进行改性处理。专利CN102255077A在石墨微粉的表面先后包覆不同材料，形成双层炭壳，低温电性能优异；但是炭壳太厚，容易粘连，制备过程中需要及时用有机溶剂洗涤。专利CN101339987A首先将硅粉和石墨混合球磨，然后加入沥青或聚合物二次球磨，炭化后制得的核/壳结构材料，容量大，效率高，循环性能优良；但是包覆不均匀，材料的一致性差。专利CN102244240A将有机碳源、硅源、石墨化碳等先喷雾干燥成核，再溶于有机碳源溶液中二次喷雾干燥，制得了硅碳复合材料，具有可逆容量大，循环性能好等特点；但是喷雾干燥时，容易破坏壳层结构。专利CN101153358A首先在纳米级硅粉表面形成导电膜，然后将硅粉包覆于球形石墨表面，炭化后再包覆沥青，最后二次炭化处理得到硅炭纳米复合结构负极材料；但实际上，纳米级的硅粉，活性非常高，极易团聚，很难均匀有序地包覆于石墨粉体的表面。专利CN102214817A采用化学气相沉积法在碳基导电材料上先后包覆纳米硅和纳米碳，制得的硅碳复合材料，结构完整，体积可控，电性能优异；但是制备成本高，周期长，效率低。因此，如何快速高效、有序可控地制备出硅炭复合负极材料，是目前业界一个亟待解决的问题。本专利技术将超声喷雾与高混机相结合，通过依次变换硅溶胶、碳有机物等包覆材料，在石墨粉体的表面实现了结构可控的梯度包覆，再经炭化得到了锂离子电池石墨负极材料。而且本专利技术中的锂离子电池石墨负极材料，还具有覆膜均匀、易于规模化生产的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超声喷雾制备梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料及其制备方法。本专利技术覆膜均匀、梯度包覆、结构可控，便于规模化生产。为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：一种梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料，其主要特点在于包括有在石墨粉体的表面，第一层包覆硅材料，第二层包覆炭材料；其组成为：石墨粉体100重量份，硅材料1～10重量份，炭材料5～10重量份。所述的梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料，所述的石墨粉体，为人造石墨粉体或天然石墨粉体；所述的石墨粉体其中位粒径为15～20μm；所述的硅材料，为经1000℃～1200℃处理后的硅溶胶；所述的炭材料，为沥青、树脂炭化后的碳有机物材料。一种梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其主要特点在于包括以下步骤：(1)将中位粒径为15μm～20μm的人造石墨粉体或天然石墨粉体，投入高混机中，闭合翻转盖，以500r/min～1000r/min的转速搅拌；(2)将包覆材料碳有机物材料在15℃～30℃常温或100℃～200℃加热状态下，溶于溶剂变成液态；(3)按石墨粉体100重量份，称取硅溶胶1～30重量份，以0.05kg/min～0.5kg/min的流速输送至高混机上的超声喷雾器，将硅溶胶液体雾化成1～5μm的液滴，以0.6MPa到0.8MPa的压力从喷嘴喷出，与在500r/min～1000r/min的转速搅拌状态下的石墨粉体混合，直至所有硅溶胶全部喷完，之后继续以500r/min～1000r/min的转速搅拌15min～30min，从出料口放料后以100℃～150℃的温度烘干30～60min；(4)把步骤(3)烘干后的包覆有硅溶胶的石墨粉体重新投入高混机，然后按烘干后的包覆有硅溶胶的石墨粉体100重量份，称取液态碳有机物材料20～45重量份，并以0.05kg/min～0.5kg/min的流速输送至高混机上的超声喷雾器，将液态碳有机物材料雾化成1～5μm的液滴，以0.6MPa到0.8MPa的压力从喷嘴喷出，与在500r/min～1000r/min的转速搅拌状态下的步骤(3)的包覆有硅溶胶的石墨粉体混合，直至所有碳有机物材料全部喷完，之后继续以500r/min～1000r/min的速度高速搅拌20min～50min；(5)把步骤(4)的物料从高混机中放出，然后在100℃～300℃温度下干燥30～60min，蒸出残余的有机溶剂，得到梯度包覆的改性石墨粉体；(6)将冷却后的梯度包覆的改性石墨粉体于惰性气体氮气、氩气保护下，加热到1000℃～1200℃，保温30min～60min进行炭化，最终得到锂离子电池石墨负极材料。所述的梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的制备方法，在所述的步骤（3）中所述的硅溶胶，为水性硅溶胶，其中位粒径为8～15nm，SiO2含量为20％～35％。所述的梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的制备方法，在步骤（2）中所述的碳有机物材料，为沥青溶液或树脂溶液；所述的沥青溶液组成为沥青10～15重量份，溶剂10～30重量份；所述的沥青溶液，沥青在100℃～200℃加热状态下，溶于溶剂变成液态；所述的沥青为煤系改质沥青或煤系中温沥青或煤系高温沥青；所述的溶剂为工业洗油。所述的梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的制备方法，所述的树脂溶液组成为热固性树脂10～15重量份，溶剂10～30重量份；所述的树脂溶液，树脂在15℃～30℃常温下，溶于溶剂变成液态；所述的热固性树脂，为酚醛树脂或脲醛树脂或呋喃树脂；所述的溶剂为工业酒精。一种制备梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的高混机，在底座上设有容器，在容器的腔体内下方设有搅拌叶片，搅拌叶片通过减速装置与电机的输出轴连接；在容器的上方设有翻转盖，出料口设于容器的下方，其主要特点在于：在翻转盖或容器上设有超声喷雾器，包覆材料输入口连接在超声喷雾器入口上；进料口，压力表、保险阀设于容器上。所述的制备梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的高混机，在所述的翻转盖的顶端设有超声喷雾器。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：①通过超声喷雾的方式，使液态的包覆材料与石墨粉体复合，具有覆膜均匀、结构可控的特点。②通过合理选择和变换包覆材料，在石墨粉体的表面形成不同材料构成的梯度包覆，能够更充分地发挥各种材料的性能特点，有利于获得理化性能更好的负极材料。③高温处理后，包覆材料中的硅溶胶转化为纳米硅包覆层，夹在内部石墨核和外部炭壳之间，这种三明治式的核壳结构，既保护和避免了硅层在充放电时的粉化，又有效地提高了负极材料的充放电容量。④方法简单、成本低、效果好、便于规模化生产。附图说明图1为本专利技术的实施例1中梯度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料，其特征在于包括有在石墨粉体的表面，第一层包覆硅材料，第二层包覆炭材料；其组成为：石墨粉体100重量份，硅材料1～10重量份，炭材料5～10重量份。

【技术特征摘要】
1.一种梯度包覆的锂离子电池石墨负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将中位粒径为15µm～20µm的人造石墨粉体或天然石墨粉体，投入高混机中，闭合翻转盖，以500r/min～1000r/min的转速搅拌；(2)将包覆材料碳有机物材料在15℃～30℃常温或100℃～200℃加热状态下，溶于溶剂变成液态；(3)按石墨粉体100重量份，称取硅溶胶1～30重量份，以0.05kg/min～0.5kg/min的流速输送至高混机上的超声喷雾器，将硅溶胶液体雾化成1～5µm的液滴，以0.6MPa到0.8MPa的压力从喷嘴喷出，与在500r/min～1000r/min的转速搅拌状态下的石墨粉体混合，直至所有硅溶胶全部喷完，之后继续以500r/min～1000r/min的转速搅拌15min～30min，从出料口放料后以100℃～150℃的温度烘干30～60min；(4)把步骤(3)烘干后的包覆有硅溶胶的石墨粉体重新投入高混机，然后按烘干后的包覆有硅溶胶的石墨粉体100重量份，称取液态碳有机物材料20～45重量份，并以0.05kg/min～0.5kg/min的流速输送至高混机上的超声喷雾器，将液态碳有机物材料雾化成1～5µm的液滴，以0.6MPa到0.8MPa的压力从喷嘴喷出，与在500r/min～1000r/min的转速搅拌状态下的步骤(3)的包覆有硅溶胶的石墨粉体混合，直至所有碳有机物材料全部喷完，之后继续以500r/min～1000r/min的速度高速搅拌20min～50min；(5)把步骤(4)的物料从高混机中放出，然后在100℃～300℃温度下干燥30～60min，蒸出残余的有机溶剂，得到梯度包覆的改性石墨粉体；(6)将冷却后的梯度包覆的改性石墨粉体于惰性气体氮气、氩气保护下，加热到1000℃～1200℃，保温30min～60min进行炭化，...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒平，齐仲辉，徐有红，王万平，
申请(专利权)人：方大工业技术研究院有限公司， 方大炭素新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11