发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法,要解决的技术问题是降低锂离子电池的负极材料的成本,提高其导电性,提高锂离子电池的寿命及循环稳定性。
本发明采用以下技术方案:一种锂离子电池负极复合材料,所述锂离子电池负极复合材料由球形、长短轴比为1.0~4.5的类球形、块状和/或片状的石墨为基体,基体外包覆有有机聚合物和/或高分子导电聚合物,包覆层厚度在1~10nm之间,所述复合材料的平均粒度D50为3.0~50.0μm,比表面积为0.50~6.5m2/g,粉体压实密度为1.90~2.15g/cm3,磁性物质Fe、Ni、Cr和Zn小于0.1ppm;所述有机高分子聚合物是聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、丙烯酸树脂和聚丙烯腈中的一种以上;所述高分子导电聚合物为聚噻吩,聚苯胺、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯,聚噬吩、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔中的一种以上。
一种锂离子电池负极复合材料的制备方法,包括以下步骤:一、将含碳量85~99.8%、平均粒度D50为3.0~50μm的球形、长短轴比为1.0~4.5的类球形、块状和/或片状的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨或针状焦、石油焦原料,经提纯处理或石墨化处理,得到含碳量99.8%以上的石墨基体;二、将石墨基体与石墨基体0.1~10wt%有机高分子聚合物和/或高分子导电聚合物液相混合,2000~8000r/min的速度混合搅拌10~120min,溶剂是水、无水乙醇、丙三醇、异丙醇、丙酮、氮甲基吡咯烷酮、四氢呋喃或二甲基乙酰胺,其质量是石墨基体质量的0.8~2.5倍,混合温度为10~90℃,得到混合物;所述有机高分子聚合物是聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、丙烯酸树脂和聚丙烯腈中的一种以上;所述高分子导电聚合物为聚噻吩,聚苯胺、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯,聚噬吩、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔中的一种以上;三、将混合物在进口温度为180~360℃,出口温度为70~130℃,压强为10~100Pa的条件下进行喷雾干燥;四、在80~300℃条件下,烘干处理1~30h;或以1~20℃/min的升温速度,在300~900℃条件下热处理1~40h,然后以1~20℃/min的降温速度冷却至室温,得到锂离子电池负极复合材料。
本发明的石墨化处理是将将含碳量85~99.8%、平均粒度D50为3.0~50μm的球形、长短轴比为1.0~4.5的类球形、块状和/或片状的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨或针状焦或石油焦原料以1~20℃/min的升温速度,到1800~2800℃,高温处理1~144h,然后自然冷却至室温。
本发明的提纯处理用碱或酸浸泡天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨材料0.5~6h,浸泡温度为30~95℃,再放入100~300℃烘箱中烘烤2~10h。
本发明的碱为氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾的一种以上。
本发明的酸为盐酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、硝酸和硼酸中的一种以上。
本发明的热处理过程中通入氮气、氩气或惰性气体,流量为1~150L/h。
本发明的方法用100~400目筛对得到的锂离子电池负极复合材料进行筛分。
本发明的方法筛分后除磁,磁感应强度为3000~30000Gs,处理温度为10~80℃,磁介网片数为15~40片,电磁锤打击次数为3~180次/秒,处理速度为100~2000kg/h,然后自然升或降温至室温。
一种锂离子电池负极复合材料的制备方法,包括以下步骤:一、将含碳量85~99.8%、平均粒度D50为3.0~50μm的球形、长短轴比为1.0~4.5的类球形、块状和/或片状的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨作为石墨基体;二、将石墨基体与石墨基体0.1~10wt%有机高分子聚合物和/或高分子导电聚合物液相混合,2000~8000r/min的速度混合搅拌10~120min,溶剂是水、无水乙醇、丙三醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、氮甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺,其质量是石墨基体质量的0.8~2.5倍,混合温度为10~90℃,得到混合物;所述有机高分子聚合物是聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、丙烯酸树脂和聚丙烯腈中的一种以上;所述高分子导电聚合物为聚噻吩,聚苯胺、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯,聚噬吩、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔中的一种以上;三、将混合物在进口温度为180~360℃,出口温度为70~130℃,压强为10~100Pa的条件下进行喷雾干燥;四、在80~300℃条件下,烘干处理1-30h;或以1~20℃/min的升温速度,在300~900℃条件下热处理1~40h,然后以1~20℃/min的降温速度冷却至室温,得到锂离子电池负极复合材料。
本发明与现有技术相比,采用含碳量为较大范围85~99.8%的球形、类球形、块状和/或片状的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨和/或人造石墨,制备锂离子电池负极复合材料,工艺简化,包覆层更加牢固致密,粉末电阻率为7×10-6Ωm以下,锂离子电池的寿命高,循环稳定,用本发明制备的材料制作电池的极片,可以减少制作极片过程中粘结剂和导电剂的用量,从而使电池制造成本降低。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的锂离子电池负极复合材料,由球形、长短轴比为1.0~4.5的类球形、块状和/或片状的石墨为基体,基体外包覆有有机聚合物和/或高分子导电聚合物,包覆层厚度在1~10nm之间。复合材料的平均粒度D50为3~50μm,比表面积为0.50~6.5m2/g,粉体压实密度为1.90~2.15g/cm3,磁性物质Fe、Ni、Cr和Zn小于0.1ppm(质量)。石墨为人造石墨或天然石墨。采用人造石墨的克容量为350mAh/g以上,采用天然石墨的克容量为360mAh/g以上。
有机高分子聚合物是聚乙烯醇PVA、聚氯乙烯PVC、聚乙二醇PEG、聚环氧乙烷PEO、聚偏氟乙烯PVDF、丙烯酸树脂PAA和聚丙烯腈PAN中的一种以上。
高分子导电聚合物为聚噻吩,聚苯胺、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯,聚噬吩PTh、聚苯胺Pn、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔中的一种以上。
本发明的锂离子电池负极复合材料的制备方法,包括以下步骤:
一、石墨化处理或石墨提纯处理,将含碳量85~99.8%、平均粒度D50为3.0~50μm的球形、长短轴比为1.0~4.5的类球形、块状和/或片状的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨或针状焦、石油焦原料,经提纯处理或石墨化处理,得到含碳量99.9%以上的石墨基体。含碳量99.9%的石墨也可以不石墨化处理或石墨提纯处理。
石墨化处理是将含碳量为85~99.8%的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨或含碳量为85~99.8%针状焦或石油焦原料以1~20℃/min的升温速度,到1800~2800℃,高温处理1~144h,然后在设备内自然冷却至室温,采用热处理设备为山东青岛瑞美机电有限公司的SHL-2500型石墨化炉。
提纯处理采用化学提纯方法,以去除含碳量为85~99.8%天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨材料内的杂质元素,用碱或酸浸泡材料0.5~6h,浸泡温度为30~95℃,使材料内的杂质溶解,然后用纯水洗涤,再放入100~300℃烘箱中烘烤2~10h。碱或酸的用量以完全浸泡天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨材料为宜。
碱为氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾的一种以上。
酸为盐酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、硝酸和硼酸中的一种以上。
二、将石墨基体与石墨基体0.1~10wt%有机高分子聚合物和/或高分子导电聚合物液相混合,采用无锡新光粉体加工有限公司的GX-200型高速搅拌桶,2000~8000r/min的速度混合搅拌10~120min,所用溶剂是水或有机溶剂,溶剂的质量是石墨基体质量的0.8~2.5倍,混合温度为10~90℃,得到混合物。
有机高分子聚合物是聚乙烯醇PVA、聚氯乙烯PVC、聚乙二醇PEG、聚环氧乙烷PEO、聚偏氟乙烯PVDF、丙烯酸树脂PAA和聚丙烯腈PAN中的一种以上。
高分子导电聚合物为聚噻吩,聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚并苯,聚噬吩PTh、聚苯胺Pn、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔中的一种以上。
所用有机溶剂为无水乙醇、丙三醇、异丙醇或丙酮、四氢呋喃、氮甲基吡咯烷酮NMP或二甲基乙酰胺。
三、将混合物瞬间气相干燥,采用无锡市阳光干燥设备厂的GZ-500型高速离心喷雾干燥机,在进口温度为180~360℃,出口温度为70~130℃,在压强为10~100Pa的条件下,进行喷雾干燥,进料流量为160kg~1000kg/h。
四、进行烘干处理,采用上海沪越实验仪器有限公司的1010AS型数显式电热恒温干燥箱,在80~300℃条件下,烘干处理1-30h。
或进行热处理,采用江苏飞达公司的RGD-300-8型隧道窑,以1~20℃/min的升温速度,在300~900℃条件下热处理1~40h,热处理过程中通入氮气、氩气或惰性气体,流量为1~150L/h,然后以1~20℃/min的降温速度冷却至室温。
五、用100~400目筛分,除磁。除磁采用日本HOSOKAWA MICRON GROUP的SD-F除磁机,磁感应强度为3000~30000Gs,处理温度为10~80℃,磁介网片数为15~40片,电磁锤打击次数为3~180次/秒,处理速度为100~2000kg/h,自然升或降温至室温,得到锂离子电池负极复合材料。
六、将产品包装入库。
采用本发明的方法,首先,所用原材料的含碳量为较大范围85~99.9%的球形、类球形、块状和/或片状的天然鳞片石墨、微晶石墨、结晶脉状石墨和/或人造石墨,而现有技术制备方法采用含碳量在99%以上球形石墨,因此本发明在原料的选择上就大大降低了成本。
其次,本发明的方法制备工艺简单,现有技术的制备过程复杂,一般制备球形石墨需要多级粉碎,纯化、球形化制程,产品收率低,为50%以下,本发明的收率为55%以上。
本发明的制备过程中,直接使用气相瞬间干燥实现包覆,代替现有技术的气相包覆方法,不仅制备工艺简化,而且包覆层更加牢固致密。
本发明的方法采用了较低的热处理温度300~900℃及石墨化温度1800~2800℃,现有技术需要碳化温度在1000℃以上,石墨化温度达3000℃,本发明减少了能源消耗,进一步使产品成本降低。
本发明的方法制备的锂离子电池负极复合材料,采用北京科仪发展有限公司生产的KYKY2800B扫描电子显微镜观察形貌,采用广州菲罗门科学仪器有限公司的透射电子显微镜H-9500获得包覆层厚度。采用美国珀金埃尔默公司OPTIMA 2100 DV电感耦合等离子体发射光谱仪测得磁性物质。用上海红运检测仪器有限公司的FZ-9601粉末电阻率测试机测试复合材料的电阻率。电阻率测试方法按照YS/T 587.7-2006炭阳极用煅后石油焦检测方法,电阻率越高材料的导电性越差,电阻率越低的,材料的导电性越好。
采用本发明的锂离子电池负极复合材料制作实验电池的负极,按负极材料:粘结剂聚偏氟乙烯PVDF的质量比为98∶2,将所述负极材料、PVDF溶于N-甲基吡咯烷酮NMP后得到的质量浓度10%的混合浆,均匀涂覆在10μm厚的铜箔上,压制成片,然后制成直径1cm炭膜,在干燥箱中120℃下烘干12h备用。以上述制备的极片为工作电极,金属锂片作为辅助电极及参比电极,电解液采用1mol/L LiPF6的EC/DMC/EMC溶液,体积比为1∶1∶1,在充满氩气的手套箱中制备模拟电池,内径为Φ12mm。电池的充放电测试在武汉金诺的蓝电电池测试***的CT2001C电池检测***上,充放电电压范围:0.01V~2.0V,电流为0.2C,测试容量和效率,测试方法按照GB/T 24533-2009锂离子电池石墨类负极材料。
应用本发明制备的锂离子电池负极复合材料进行电池的极片制作,由于在锂离子电池负极复合材料制备中添加有聚合物,提高负极材料与集流体的粘接性,同时提高负极材料的导电性,故可以减少制作极片过程中粘结剂的用量,不使用导电剂,从而使锂离子电池制造成本进一步降低。
本发明锂离子电池负极复合材料控制磁性物质含量,减少了充放电过程中的磁性物质与电解液之间的副反应,减少了充放电过程中的副反应,减少了电池容量损失,有利于提高电池的循环稳定性。
实施例1,将含碳量95.2%的不规则天然鳞片石墨与0.5wt%的有机高分子聚合物PVA液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行150℃的烘干处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
如图1所示,采用高分子聚合物包覆后,包覆层均匀,并未出现颗粒之间的粘接。
如图2所示,经过包覆后的材料,减少粘结剂用量的同时,克容量发挥仍然在370.9mAh/g。
如图3所示,在极片压实为1.75g/cm3压实密度下,电池500周的容量保持率为86.8%。
实施例2,将含碳量99.9%的不规则石墨与5wt%的有机高分子聚合物PEG液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行900℃的热处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
实施例3,将含碳量99.9%的不规则天然鳞片石墨与3wt%的有机高分子聚合物聚丙烯腈液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行500℃的热处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
实施例4,将含碳量85%不规则天然石墨进行提纯处理,与0.1wt%的有机高分子聚合物PEO液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行300℃的烘干处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
实施例5,将含碳量85%不规则人造石墨进行提纯处理,与1wt%的有机高分子聚合物聚噻吩液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行80℃的烘干处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
实施例6,将含碳量98%不规则人造石墨进行石墨化处理与6wt%的有机高分子聚合物PAA液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行300℃的热处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
实施例7,将含碳量90%不规则天然石墨进行石墨化处理,与10wt%的有机高分子聚合物聚苯胺液相混合,将混合物瞬间气相干燥;进行180℃的烘干处理,将所得物经除磁机除磁,包装入库。
对比例,采用未包覆的天然石墨材料,电阻率为9×10-6Ωm,,按上述方法制作实验电池,对其电性能进行测试。
表1实施例1-7的工艺数据
表2负极材料的理化性能测试结果
从测试结果可以看出,采用本发明方法制备的材料和锂离子电池的首次可逆容量高,首次库伦效率高,提高了电池的循环性能。