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CN106299281B - 一种低温锂电池的负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种低温锂电池的负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温锂电池的负极材料及其制备方法，其由石油焦30‑40份，针状焦5‑15份，中间相碳微球20‑30份，无定型碳5‑10份，各向同性焦20‑30份制备而成。本发明中无定形碳、中间相碳微球、各向同性焦是各向同性材料，跟人造石墨相比，其对于锂离子的扩散速度较快，所以材料的导电效果更好；但是由于克容量偏低，所以又加入了一定比例的针状焦和石油焦，以满足克容量要求。

Description

一种低温锂电池的负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体是一种低温锂电池的负极材料及其制备方法。
背景技术
锂电池具有标称电压高、比能量高、循环寿命长、无记忆效应等特点，而且绿色环保，无污染，因此被广泛应用于手机、笔记本电脑及MP3等数码产品中，同时在电动汽车、电动自行车、国防装备等行业也得到广泛应用。近几年，锂电池在各个领域的应用越来越广泛，电池使用的环境复杂，对电池的性能要求也更高，例如倍率型电池，应用于启动设备上时，要求在-40℃甚至更低温度下，也能快速将设备启动。但目前锂离子蓄电池的低温性能相对较差，特别是在-30℃以下的低温环境中的工作性能较差。现有的锂电池负极材料的主要成分为人造石墨，其导电效果较差，尤其在低温环境下，其导电性能更差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低温锂电池的负极材料，保证了负极材料在低温环境下具有良好的导电效果，且具有较高的克容量和循环性能。
本发明的技术方案为：
一种低温锂电池的负极材料，其由以下组份按重量份数制备而成：
石油焦30-40份，
针状焦5-15份，
中间相碳微球20-30份，
无定型碳5-10份，
各向同性焦20-30份。
进一步方案，所述石油焦为纯度C≥99.5％的球形石墨，其粒度D50为15-20um。
进一步方案，所述中间相碳微球为中间相沥青碳微球；所述各项同性焦是由沥青经延迟焦化制得。
本发明的另一个发明目的是提供上述一种低温锂电池的负极材料的制备方法，其步骤如下：
(1)整形粉碎
按配比，将石油焦、针状焦、中间相碳微球、各向同性焦一同加入到粉碎机中进行搅拌球磨机，采用湿法搅拌球磨整形，得混合粉末；
(2)插层微膨
将混合粉末与浓酸一同加入混合机中采用超声搅拌0.5-1h，再通过离心机分离出粉体，并用纯水和乙醇分别对粉体洗涤至其pH值为6-8；然后对粉体进行干燥后，置于保护气氛、500-900℃的温度中保温1-10h；最后冷却至室温，得微膨胀石墨；
(3)团聚造粒
将微膨胀石墨与碳源、溶剂一起加入高速搅拌机中搅拌1-4h；所述碳源占微膨胀石墨的质量比为1～10％；
(4)炭化烧结
将包覆有碳源的团聚造粒物置于保护气氛中于1000-1500℃进行炭化烧结处理10-48h；
(5)石墨化烧结
将经步骤(4)炭化烧结处理后的粉末置于保护气氛中、于2000-3000℃进行石墨化烧结处理48-72h；
(6)混合
将经步骤(5)石墨化烧结处理后的粉末和无定型碳一起加入高速搅拌机中搅拌1-4h，得低温锂电池的负极材料。
进一步方案，所述步骤(2)中干燥是指在85-50℃干燥10-24h；所述浓酸为浓硝酸、高氯酸或浓硫酸中的至少一种。
进一步方案，所述步骤(3)中碳源为石油沥青、煤沥青、煤焦油中的至少一种；所述溶剂为甲苯、苯、四氢呋喃中的至少一种。
进一步方案，所述步骤(3)、(6)中的高速搅拌机的搅拌频率为50-70HZ。
本发明的优点：
1、本发明是由各种原材料共同复合而成，由于无定形碳、中间相碳微球、各向同性焦是各向同性材料，跟人造石墨相比，其对于锂离子的扩散速度较快，所以材料的导电效果更好；但是由于克容量偏低，所以又加入了一定比例的针状焦和石油焦，以满足克容量要求。
2、本发明采用石油焦、针状焦石墨化、中间相碳微球、无定型碳、各项同性焦按一定的比例的混合刚好补充了其他种材料的缺点，达到互补的效果。
3、由于一次石墨小颗粒在核内的多孔碳基体中团聚成二次颗粒，其各向同性程度高，充放电造成的单方向的胀缩小，从而大大提高了低温高倍率石墨负极材料的低温嵌锂性能。
附图说明
图1是本发明实施例3所制得的石墨负极材料电镜扫描图。
具体实施方式
下面实施例中石油焦选用纯度C≥99.5％、粒度D50为15-20um的球形石墨；中间相碳微球为中间相沥青碳微球；所述各项同性焦是由沥青经延迟焦化制得。
实施例1：
一种低温锂电池的负极材料的制备方法，其步骤如下：
(1)整形粉碎
将30份石油焦、5份针状焦、30份中间相碳微球、30份各向同性焦一同加入到粉碎机中进行搅拌球磨机，采用湿法搅拌球磨整形，得混合粉末；
(2)插层微膨
将混合粉末与浓硝酸一同加入混合机中采用超声搅拌0.5h，再通过离心机分离出粉体，并用纯水和乙醇分别对粉体洗涤至其pH值为6；然后将粉体进行85℃干燥10h干燥后，置于保护气氛、500℃的温度中保温10h；最后冷却至室温，得微膨胀石墨；
(3)团聚造粒
将微膨胀石墨与石油沥青、甲苯一起加入高速搅拌机中以搅拌频率为50HZ搅拌4h；所述碳源占微膨胀石墨的质量比为1％；
(4)炭化烧结
将包覆有碳源的团聚造粒物置于保护气氛中于1000℃进行炭化烧结处理48h；
(5)石墨化烧结
将经步骤(4)炭化烧结处理后的粉末置于保护气氛中、于2000℃进行石墨化烧结处理72h；
(6)混合
将经步骤(5)石墨化烧结处理后的粉末和5份无定型碳一起加入高速搅拌机中以搅拌频率为50HZ搅拌4h，得低温锂电池的负极材料。
实施例2：
一种低温锂电池的负极材料的制备方法，其步骤如下：
(1)整形粉碎
将40份石油焦、15份针状焦、20份中间相碳微球、20份各向同性焦一同加入到粉碎机中进行搅拌球磨机，采用湿法搅拌球磨整形，得混合粉末；
(2)插层微膨
将混合粉末与高氯酸一同加入混合机中采用超声搅拌1h，再通过离心机分离出粉体，并用纯水和乙醇分别对粉体洗涤至其pH值为8；然后将粉体进行50℃干燥24h干燥后，置于保护气氛、900℃的温度中保温1h；最后冷却至室温，得微膨胀石墨；
(3)团聚造粒
将微膨胀石墨与煤焦油、四氢呋喃一起加入高速搅拌机中以搅拌频率为70HZ搅拌1h；所述碳源占微膨胀石墨的质量比为10％；
(4)炭化烧结
将包覆有碳源的团聚造粒物置于保护气氛中于1500℃进行炭化烧结处理10h；
(5)石墨化烧结
将经步骤(4)炭化烧结处理后的粉末置于保护气氛中、于3000℃进行石墨化烧结处理48h；
(6)混合
将经步骤(5)石墨化烧结处理后的粉末和5份无定型碳一起加入高速搅拌机中以搅拌频率为70HZ搅拌1h，得低温锂电池的负极材料。
实施例3：
一种低温锂电池的负极材料的制备方法，其步骤如下：
(1)整形粉碎
将35份石油焦、10份针状焦、25份中间相碳微球、25份各向同性焦一同加入到粉碎机中进行搅拌球磨机，采用湿法搅拌球磨整形，得混合粉末；
(2)插层微膨
将混合粉末与浓硫酸一同加入混合机中采用超声搅拌0.5h，再通过离心机分离出粉体，并用纯水和乙醇分别对粉体洗涤至其pH值为7；然后将粉体进行75℃干燥20h干燥后，置于保护气氛、700℃的温度中保温5h；最后冷却至室温，得微膨胀石墨；
(3)团聚造粒
将微膨胀石墨与煤沥青、苯一起加入高速搅拌机中以搅拌频率为60HZ搅拌3h；所述碳源占微膨胀石墨的质量比为5％；
(4)炭化烧结
将包覆有碳源的团聚造粒物置于保护气氛中于1200℃进行炭化烧结处理30h；
(5)石墨化烧结
将经步骤(4)炭化烧结处理后的粉末置于保护气氛中、于2500℃进行石墨化烧结处理60h；
(6)混合
将经步骤(5)石墨化烧结处理后的粉末和8份无定型碳一起加入高速搅拌机中以搅拌频率为60HZ搅拌3h，得低温锂电池的负极材料。
如图1所示为本实施例制得的石墨负极材料电镜扫描图，从图1中可以看出，负极材料由石油焦、针状焦石墨化、中间相碳微球、无定型碳、各项同性焦混合形成的复合材料。
对比例：
采用实施例3的制备方法制备对比例，对比例中原材料选用95份人造石墨与5份无定型碳。
将上述实施例3和对比例制备的负极材料与正极、隔膜、电解液制成电池的容量、充放电性能，其中单体电池容量测试标准：在温度25±2°，相对湿度15％～90％环境下，电池以1I放电到2.5v，静置1h；以1I恒流充电到3.65v，转为恒压3.65v，至截止电流达到0.05I时停止充电，充电后静置1h；以1I放电，放电到2.5v停止。具体数据如下表：
从上表1可看出，本发明制得的负极材料应用于动力电池中具有更高的克容量和低温性能。
应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围内。

Claims (5)

1.一种低温锂电池的负极材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
(1) 整形粉碎
按配比，将球形石墨、针状焦、中间相碳微球、各向同性焦一同加入到粉碎机中进行搅拌球磨机，采用湿法搅拌球磨整形，得混合粉末；
(2) 插层微膨
将混合粉末与浓酸一同加入混合机中采用超声搅拌 0.5-1h ，再通过离心机分离出粉体，并用纯水和乙醇分别对粉体洗涤至其pH值为6-8；然后对粉体进行干燥后，置于保护气氛、500-900℃的温度中保温 1-10h；最后冷却至室温，得微膨胀石墨；
(3) 团聚造粒
将微膨胀石墨与碳源、溶剂一起加入高速搅拌机中搅拌 1-4h；所述碳源占微膨胀石墨的质量比为 1 ～ 10%；
(4) 炭化烧结
将包覆有碳源的团聚造粒物置于保护气氛中于1000-1500℃进行炭化烧结处理 10-48h；
（5）石墨化烧结
将经步骤 (4) 炭化烧结处理后的粉末置于保护气氛中、于2000-3000℃进行石墨化烧结处理 48-72h；
（6）混合
将经步骤（5）石墨化烧结处理后的粉末和无定型碳一起加入高速搅拌机中搅拌1-4h，得低温锂电池的负极材料；
所述低温锂电池的负极材料中球形石墨30-40份、针状焦5-15份、中间相碳微球20-30份、无定型碳5-10份、各向同性焦20-30份；所述球形石墨的纯度 C ≥ 99.5％、粒度 D50为15-20um。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述中间相碳微球为中间相沥青碳微球；所述各向同性焦是由沥青经延迟焦化制得。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中干燥是指在85-50℃干燥 10-24h；所述浓酸为浓硝酸、高氯酸或浓硫酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中碳源为石油沥青、煤沥青、煤焦油中的至少一种；所述溶剂为甲苯、苯、四氢呋喃中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）、（6）中的高速搅拌机的搅拌频率为50-70Hz 。
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