CN102522561A - 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料制备领域。其特征在于，所述材料的结构为石墨或炭核壳结构，内核材料采用石墨化优质无烟煤，外壳材料为无定形炭；所述石墨化优质无烟煤经2800℃-3100℃处理，石墨化度大于80％，固定碳含量大于99.9％，粒度范围为5μm-50μm；所述无定形炭由前躯体炭化所得，前躯体包括沥青、乳化沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂或树脂类材料。本发明所获得的锂离子电池负极材料，其特征在于，首次效率大于90％，首次放电容量大于350mAh/g，经过200次循环后容量保持率大于90％。

Description

一种锂离子电池负极材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料制备领域，具体涉及一种利用天然无烟煤改性制备锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

自1990年sony公司首次在市场上推出锂离子电池以来，锂离子电池以其与镍氢镍镉系可充电电池相比所特有的优势，如高比能量、高工作电压、充放电寿命长、无记忆效应、环境污染小、自放电率低等，迅速占领了商用可充电电池的市场，特别是作为手机、笔记本电脑、数码相机等小型便携电器的电源。近年来，锂离子电池正负极材料、电解液体系的研究和应用是国内外的研究重点，特别是伴随着“低碳”理念而兴起的电动车和混合动力汽车等，更是对锂离子电池的性能提出了新的要求。低成本、高比容量、大功率、长寿命、高安全、环境友好是锂离子电池今后的发展方向。

锂离子电池发展至今，正极材料的组成和容量基本没有大的改变，主要的贡献来自负极材料。现在商业化锂离子电池使用的负极材料是碳材料，以人造石墨为主。但从材料的低成本和高容量的发展要求看，资源丰富、成本低廉、堆积密度高以及比容量大的天然石墨是今后的发展趋势。通过对天然石墨的改性处理可以有效的提高天然石墨的首次效率和可逆容量。目前针对天然鳞片石墨的研究较为成熟，已经可以将天然鳞片石墨的首次效率提高到90％以上，可逆效率提高到350mAh/g以上，满足商业化应用的要求。可以说改性天然石墨取代人造石墨是锂离子电池负极材料的一个发展趋势。

天然石墨分为无定形石墨(微晶石墨)和鳞片石墨两种。微晶石墨由不同取向的石墨微晶所组成，微晶尺寸小于1μ，表现出各向同性，在充放电循环过程中层间距变化各向同时进行，因此循环稳定性较好。鳞片石墨片层结构较规整，有利于锂离子的嵌入和脱出，可逆容量可达300～350mAh/g，但由于片层间充放电过程中的膨胀和收缩是单向进行，因此容易造成片层的脱落从而影响循环稳定性。

石墨化无烟煤是将优质无烟煤在2800℃进行石墨化处理从而获得的新型天然石墨材料，由于成材机理相似，因此石墨化无烟煤与天然微晶石墨具有相似的微观结构，可以用来做锂离子电池负极材料。采用连续化石墨化炉生产的石墨化无烟煤的成本小于2000元/吨，相比天然石墨6000～7000元/吨具有巨大的成本优势。

发明内容

本发明的目的在于开发一种新型锂离子电池负极材料及其制备方法，制备方法简单易行，适合于工业化生产；制备的锂离子电池负极材料首次效率和可以容量高，循环稳定性好；制备所用原料资源丰富，成本低。

本发明采用的技术方案为：

一种锂离子电池负极材料，其结构为石墨/炭核壳结构，内核材料采用石墨化的优质无烟煤，外壳材料为无定形炭。所述的石墨化优质无烟煤经2800℃-3100℃处理，石墨化度大于80％，固定碳含量大于99.9％，粒度范围为5μm-50μm；所述的无定形炭由前躯体炭化所得，前躯体包括沥青、乳化沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂等树脂类物料。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将优质无烟煤在石墨化炉中于2800℃-3100℃进行石墨化处理；

第二步，将获得的石墨化无烟煤进行粉碎和分级处理，使所获石墨化无烟煤颗粒粒径范围为5μm-50μm；

第三步，采用液相包覆的方法将炭前躯体包覆在石墨化无烟煤上，包覆液包括树脂溶液和沥青乳液，前躯体与石墨化无烟煤质量比为(1-20)∶100；

第四步，对混合溶液进行脱溶剂处理；

第五步，进行炭化处理，炭化焙烧温度范围为900℃-1200℃。

本发明所获得的锂离子电池负极材料，其特征在于，首次效率大于90％，首次放电容量大于350mAh/g，经过200次循环后容量保持率大于90％。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种锂离子电池负极材料，其原料包括无烟煤与煤沥青，所述的无烟煤为产自宁夏回族自治区石嘴山市汝箕沟的太西煤，煤沥青为中温沥青。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将优质无烟煤在石墨化炉中于2800℃进行石墨化处理，所获得的石墨化无烟煤固定碳含量为99.9％，石墨化度为83％；

第二步，将获得的石墨化无烟煤进行粉碎和分级处理，使所获石墨化无烟煤颗粒粒径范围为5μm-50μm，D₅₀为21.45μm；

第三步，采用液相包覆的方法将炭前躯体包覆在石墨化无烟煤上，将煤沥青溶于甲苯溶液作为包覆液，煤沥青前躯体与石墨化无烟煤质量比为1∶100；

第四步，对混合溶液进行脱溶剂处理；

第五步，进行炭化处理，炭化焙烧温度为1200℃，保护气为N₂。

本发明所获得的锂离子电池负极材料，其首次效率为92％，首次放电容量为365mAh/g，经过200次循环后容量保持率大于90％。

实施例2

一种锂离子电池负极材料，其原料包括无烟煤与酚醛树脂，所述的无烟煤为产自宁夏回族自治区石嘴山市汝箕沟的太西煤，酚醛树脂为工业级。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将优质无烟煤在石墨化炉中于3000℃进行石墨化处理，所获得的石墨化无烟煤固定碳含量为99.9％，石墨化度为83％；

第二步，将获得的石墨化无烟煤进行粉碎和分级处理，使所获石墨化无烟煤颗粒粒径范围为5μm-50μm，D₅₀为21.45μm；

第三步，采用液相包覆的方法将炭前躯体包覆在石墨化无烟煤上，将酚醛树脂溶于乙醇溶液作为包覆液，酚醛树脂前躯体与石墨化无烟煤质量比为12∶100；

第四步，对混合溶液进行脱溶剂处理；

第五步，进行炭化处理，炭化焙烧温度为1000℃，保护气为N₂。

本发明所获得的锂离子电池负极材料，其首次效率为90％，首次放电容量为356mAh/g，经过200次循环后容量保持率大于90％。

实施例3

一种锂离子电池负极材料，其原料包括无烟煤与聚乙烯醇，所述的无烟煤为产自宁夏回族自治区石嘴山市汝箕沟的太西煤，聚乙烯醇为工业级。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将优质无烟煤在石墨化炉中于3100℃进行石墨化处理，所获得的石墨化无烟煤固定碳含量为99.9％，石墨化度为83％；

第二步，将获得的石墨化无烟煤进行粉碎和分级处理，使所获石墨化无烟煤颗粒粒径范围为5μm-50μm，D₅₀为21.45μm；

第三步，采用液相包覆的方法将炭前躯体包覆在石墨化无烟煤上，将聚乙烯醇溶于水溶液作为包覆液，酚醛树脂前躯体与石墨化无烟煤质量比为5∶100；

第四步，对混合溶液进行脱溶剂处理；

第五步，进行炭化处理，炭化焙烧温度为900℃，保护气为N₂。

本发明所获得的锂离子电池负极材料，其首次效率为89.5％，首次放电容量为350mAh/g，经过200次循环后容量保持率大于90％。

综上所述，本发明具有所用资源丰富，成本低；材料的制备方法步骤少，设备需求简单；制得的材料首次效率和放电比容量高，循环稳定性好等特点，适合进行大规模工业化生产。

Claims (2)

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，所述材料的结构为石墨或炭核壳结构，内核材料采用石墨化优质无烟煤，外壳材料为无定形炭；所述石墨化优质无烟煤经2800℃-3100℃处理，石墨化度大于80％，固定碳含量大于99.9％，粒度范围为5μm-50μm；所述无定形炭由前躯体炭化所得，前躯体包括沥青、乳化沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂或树脂类材料。

2.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步，将优质无烟煤在石墨化炉中于2800℃-3100℃进行石墨化处理；

第二步，将获得的石墨化无烟煤进行粉碎和分级处理，使所获石墨化无烟煤颗粒粒径范围为5μm-50μm；

第三步，采用液相包覆的方法将炭前躯体包覆在石墨化无烟煤上，包覆液包括树脂溶液和沥青乳液，前躯体与石墨化无烟煤质量比为(1-20)∶100；

第四步，对混合溶液进行脱溶剂处理；

第五步，进行炭化处理，炭化焙烧温度范围为900℃-1200℃。