TWI644475B - Granulation process for lithium battery anode material - Google Patents

Abstract

本說明書揭示一種鋰電池負極材料之造粒製程。上述鋰電池負極材料之造粒製程不使用高溫熔融的方式來黏合碳基材與接合材料，進而可達到節能、低污染、且高產能之製程效果。

Description

鋰電池負極材料之造粒製程

本發明係關於一種碳基材造粒製程，特別是關於一種用於鋰電池負極材料的造粒製程。

鋰離子電池的發展在很大的程度上取決於高性能正、負極材料的開發與應用。以負極材料為例，習知技藝者已經發現，使用經過造粒製程來形成的電池負極，除了可大幅提升電池壽命之外，更可有效地提昇電容量。

習知技藝中常見的負極造粒製程，是先以高溫熔融方式來混合焦碳與瀝青，然後再依序經過碳化、石墨化等程序來完成。第一圖是習知技藝中所使用的電池負極材料造粒製程。首先，混合焦碳與瀝青，如步驟110所示，然後使用高溫熔融，讓焦碳與瀝青能均勻混合，如步驟120所示。上述的高溫熔融步驟120通常需在約600-700℃的環境下完成。

經過高溫熔融後的焦碳與瀝青混合物先進行破碎步驟130，再進行過篩分級的步驟140。所篩選出適當粒徑的混合物粒子，再接著依序進行碳化步驟150、與石墨化步驟160，即可得到可用於電池負極的材料。

在上述方法中，需使用高溫融熔來均勻混合焦碳與 瀝青。高溫熔融的過程，不僅需耗用大量能源，通常也需耗時約17-20小時才能完成。因此，上述使用高溫熔融的造粒製程往往產能極低，難以大量批次生產。再者，瀝青在高溫熔融的過程中，當加熱至約300℃以上時，會產生大量的空氣污染。因此，在講求生產效率與環境友善(environmental friendly)的綠色工業(green industry)發展並重的大方向上，上述方法仍存在許多改善的空間。

有鑑於此，開發可在有效地進行電池負極材料的造粒製程時，同時兼顧減少耗能、與降低環境污染之鋰電池負極材料之造粒製程，是一項相當值得產業重視且可有效提升產業競爭力的課題。

鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上之要求，本發明提供一種鋰電池負極材料之造粒製程，上述鋰電池負極材料之造粒製程，不僅製程簡易、成本便宜，更具有可大幅降低在造粒製程中的耗能與環境污染，更好的是，上述鋰電池負極材料之造粒製程在兼顧環保的同時，依然可產出高效能之碳基材造粒產品，進而可同時兼具環保與有效提昇產業競爭力之效果。

本發明之一目的在於提供一種鋰電池負極材料之造粒製程，藉由不使用高溫熔融的方式，以減少製程中的耗能，並降低環境污染。

本發明之另一目的在於提供一種鋰電池負極材料之 造粒製程，藉由採用耦合劑來黏合碳基材與接合材料，使得在上述鋰電池負極材料之造粒製程中無需使用高溫熔融來黏合碳基材與接合材料，進而達到節能與降低污染之效果。

本發明之又一目的在於提供一種鋰電池負極材料之造粒製程，藉由採用耦合劑來黏合碳基材與接合材料，使得在上述鋰電池負極材料之造粒製程中無需使用高溫熔融來黏合碳基材與接合材料，使得鋰電池負極材料之造粒製程無須每批次生產需等候高溫熔融的17-20小時加熱時間，進而達到節省製程所需時間與提昇產能之效果。

根據以上所述之目的，本發明揭示了一種鋰電池負極材料之造粒製程。上述鋰電池負極材料之造粒製程包含混合碳基材與接合材料、添加耦合劑、加壓、碳化、破碎、過篩、以及石墨化等步驟。其中，上述的耦合劑具有黏合性、不會與碳基材或接合材料發生反應、以及可在後續的碳化步驟或石墨化步驟被移除等特性。在根據本說明書之一較佳範例中，上述耦合劑可以是一溶液形式，且上述溶液所使用的溶劑可在後續碳化步驟或石墨化步驟中揮發。上述的加壓步驟可以是使用冷壓、熱壓、模壓、擠壓、螺旋擠壓或其他習知技藝者所熟知的方式，來對於碳基材、接合材料、與耦合劑混合所形成之前驅體進行加壓，以提昇碳基材的黏合密度，並同時移除部分耦合劑的溶劑。根據本說明書之技術方案，藉由耦合劑的添加，不僅可避開使用耗能又高污染的高溫熔融方式來黏合碳基材與接合材料的各種缺點，更可讓碳基 材與接合材料達到完美黏合的效果。

100‧‧‧習知技藝的碳基材造粒製程

110‧‧‧混合步驟

120‧‧‧高溫熔融步驟

130‧‧‧破碎步驟

140‧‧‧過篩步驟

150‧‧‧碳化步驟

160‧‧‧石墨化步驟

200‧‧‧鋰電池負極材料之造粒製程

210‧‧‧混合步驟

220‧‧‧添加耦合劑步驟

230‧‧‧加壓步驟

240‧‧‧碳化步驟

250‧‧‧破碎步驟

260‧‧‧過篩步驟

270‧‧‧石墨化步驟

第一圖係習知技藝的碳基材造粒製程之示意圖；以及第二圖係根據本說明書的鋰電池負極材料之造粒製程之示意圖。

本發明在此所探討的方向為一種鋰電池負極材料之造粒製程。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的製程步驟或組成結構。顯然地，本發明的施行並未限定於該領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或製程步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳體系會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的體系中，且本發明的範圍不受限定，以其之後的專利範圍為準。

本發明之一實施例揭露一種鋰電池負極材料之造粒製程。第二圖係一根據本實施例之鋰電池負極材料之造粒製程的示意圖。如第二圖所示，上述鋰電池負極材料之造粒製程包含混合碳基材與接合材料、添加耦合劑、加壓、碳化、破碎、過篩、以及石墨化等步驟。

根據本實施例之鋰電池負極材料之造粒製程200，先將碳基材與接合材料予以混合，如步驟210所示。在根據本實施例之一較佳範例中，上述碳基材可以是選自下列之一者或其組合：焦碳、針狀焦、石油焦、小顆粒天然石墨、石墨烯、奈米碳管(Carbon Nanotube；CNT)、氣相成長碳纖維(Vapor grown carbon fiber；VGCF)，或其他習知該項技藝者所熟悉之碳材料。在根據本實施例之一較佳範例中，上述之接合材料可以是選自下列之一者或其組合：瀝青、樹脂。在根據本實施例之一較佳範例中，上述碳基材與接合材料之重量比約為3：1~20：1。在根據本實施例之一較佳範例中，步驟210除了碳基材與接合材料之外，並無其他添加。在根據本實施例之一較佳範例中，上述步驟210可以是在室溫下進行。

接下來，在碳基材與接合材料的混合中添加耦合劑以形成一前驅體，如步驟220所示。上述的耦合劑具有黏合性、不會與碳基材或接合材料發生化學反應、以及可在後續的碳化步驟或石墨化步驟中被移除等特性。在根據本實施例之一較佳範例中，上述碳基材、接合材料與耦合劑之重量比約為50：10：1~30：1：5。在根據本實施例之一較佳範例中，上述耦合劑可以是選自下列一者或其組合：羧甲基纖維素(Carboxymethyl Cellulose，簡稱CMC)、麥芽糊精、丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber，簡稱SBR)、石蠟(paraffin)。在根據本實施例之一較佳範例中，上述耦合劑可以是溶液形式，其中，上述溶液中的溶劑可在後續的碳化 步驟或石墨化步驟中揮發。在根據本實施例之一較佳範例中，上述溶劑可以是選自下列一者或其組合：水、酒精、異丙醇(IPA)、醋酸乙酯(ethyl acetate)、石油醚(Petroleum ether)。

在添加耦合劑後，對上述碳基材、接合材料、與耦合劑混合而成的前驅體進行加壓，如步驟230所示。在根據本實施例之一較佳範例中，上述加壓步驟230可以是使用冷壓、60~200℃熱壓、模壓、擠壓、螺旋擠壓、或其他習知技藝者所熟知的方式。藉由加壓，可以提升碳基材與接合材料的密合度。在根據本實施例之一較佳範例中，藉由加壓也可移除部分耦合劑中的溶劑。

隨後，對上述加壓步驟後所形成的大顆粒進行碳化，如步驟240所示，以形成碳化後的碳基材。在根據本實施例之一較佳範例中，上述碳化步驟可以是在約600~1500℃的條件下進行，更佳是上述碳化步驟可以是在約900~1300℃的條件下進行。在根據本實施例之一較佳範例中，上述的耦合劑可在碳化步驟的過程中被移除。

在碳化步驟後，先進行破碎步驟250，將上述碳化後的碳基材的大顆粒破碎成複數個小顆粒。在根據本實施例之一較佳範例中，上述破碎步驟250可以是將碳化後的碳基材大顆粒破碎成複數個粒徑約10~25μm的小顆粒。在破碎步驟後進行過篩步驟260，從該些小顆粒中，篩選出具有預期粒徑之小顆粒來進行後續程序。

通過過篩步驟後的小顆粒接著進行石墨化以得到石墨化之碳材料，如步驟270所示。在根據本實施例之一較佳範例中，上述石墨化步驟可以是在約3000℃的條件下進行。如此，即完成了鋰電池負極材料之造粒製程。

以下將敘明根據本說明書之鋰電池負極材料之造粒製程的較佳範例。然而，本說明書之範圍應以其後的申請專利範圍為準，而不應以下列實施範例為限。

範例1：(焦碳；瀝青；麥芽糊精；蒸餾水)

首先將400克的麥芽糊精加入3000克的蒸餾水中，先緩慢攪拌後再快速攪拌，以形成耦合劑溶液。

接下來，混合焦碳1000克、瀝青100克、以及上述耦合劑溶液300克，並在室溫下進行混拌，以形成前驅體。

將上述前驅體利用煤棒機進行擠壓，使焦碳、瀝青、與耦合劑的混合更均勻，並讓焦碳與瀝青之間壓縮得更緊密。上述擠壓的壓力約為0.5kgf/cm²。

經過擠壓後的前驅體，先經過約1100℃的高溫碳化，並在碳化後進行破碎。

針對破碎後的小顆粒進行過篩，以取得粒徑D50落在14~20μm範圍內之小顆粒。隨後，將過篩後的小顆粒進行約2950℃的石墨化。

範例2：(天然石墨；酚醛樹脂；CMC；蒸餾水)

首先將300克的CMC加入3000克的蒸餾水中，並快速攪拌，以形成耦合劑溶液。

接下來，混合天然石墨1000克、酚醛樹脂200克、以及耦合劑溶液400克，並在室溫下進行混拌，以形成前驅體。

將上述前驅體利用冷壓機進行壓合，使天然石墨、酚醛樹脂、與耦合劑之間壓縮得更緊密。上述冷壓機加壓的壓力約0.5kgf/cm²。

經過冷壓後的前驅體，先經過1300℃的高溫碳化，並在碳化後進行破碎。

針對破碎後的小顆粒進行過篩，以取得粒徑D50落在14~20μm範圍內之小顆粒。隨後，將過篩後的小顆粒進行2950℃的石墨化。

範例3：(天然石墨；瀝青；石墨烯；SBR；蒸餾水)

首先取100克市售固含量50%的SBR加入3000克的蒸餾水中，並快速攪拌，以形成耦合劑溶液。

接下來，混合天然石墨1000克、石墨烯5克、瀝青150克、以及耦合劑溶液500克，並在室溫下進行混拌，以形成前驅體。

將上述前驅體利用煤棒機進行擠壓，使天然石墨、石墨烯、瀝青與耦合劑的混合更均勻，並讓天然石墨、石墨烯與 瀝青之間壓縮得更緊密。上述煤棒機擠壓的壓力約0.5kgf/cm²。

經過擠壓後的前驅體，先經過1100℃的高溫碳化，並在碳化後進行破碎。

針對破碎後的小顆粒進行過篩，以取得粒徑D50落在14~20μm範圍內之小顆粒。隨後，將過篩後的小顆粒進行2950℃的石墨化。

範例4：(天然石墨；瀝青；石蠟)

均勻混合天然石墨1000克、瀝青120克、以及石蠟粉50克，並在室溫下進行混拌，以形成前驅體。

將上述前驅體利用熱壓機進行80℃熱壓，使天然石墨、瀝青、與石蠟之間壓縮得更緊密。上述熱壓機的工作壓力約0.5kgf/cm²。

經過熱壓後的前驅體，先經過1100℃的高溫碳化，並在碳化後進行破碎。

針對破碎後的小顆粒進行過篩，以取得粒徑D50落在14~20μm範圍內之小顆粒。隨後，將過篩後的小顆粒進行2950℃的石墨化。

綜上所述，本說明書揭露一種鋰電池負極材料之造粒製程。上述鋰電池負極材料之造粒製程包含混合碳基材與接合材料、添加耦合劑、加壓、碳化、破碎、過篩、以及石墨化等步 驟。根據本說明書，上述鋰電池負極材料之造粒製程無須使用高溫熔融的方式來黏合碳基材與接合材料，所以可達到節能、低污染、且高產能之製程效果。

顯然地，依照上面體系中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的體系中施行。上述僅為本發明之較佳體系而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。

Claims (9)

1. 一種鋰電池負極材料之造粒製程，其包含：混合碳基材與接合材料；添加耦合劑於碳基材與接合材料，以形成一前驅體，其中上述耦合劑選自下列一者或其組合：羧甲基纖維素、麥芽糊精、丁苯橡膠、石蠟；對上述前驅體進行加壓；對上述加壓後的前驅體進行碳化，以形成碳化後的碳基材；以及對碳化後的碳基材進行石墨化。
2. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中上述碳基材選自下列之一者或其組合：焦碳、針狀焦、石油焦、小顆粒天然石墨、石墨烯、奈米碳管(CNT)、以及氣相成長碳纖維(VGCF)。
3. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中上述接合材料選自下列之一者或其組合：瀝青、樹脂。
4. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中上述耦合劑更包含一溶劑，上述溶劑選自下列一者或其組合：水、酒精、異丙醇、醋酸乙酯、石油醚。
5. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中對上述前驅體進行加壓的步驟係選自下列方式之一者或其組合：冷壓、60~200℃熱壓、模壓、擠壓與螺旋擠壓。
6. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中 上述碳基材、接合材料與耦合劑之重量比為50：10：1~30：1：5。
7. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，更包含一破碎步驟，上述破碎步驟是將上述碳化後的碳基材破碎成複數個小顆粒。
8. 根據申請專利範圍第8項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中上述小顆粒的粒徑約10~25μm。
9. 根據申請專利範圍第1項之鋰電池負極材料之造粒製程，其中上述碳化步驟是在600~1500℃的條件下進行，其中上述石墨化步驟是在約3000℃的條件下進行。