一種高功率鋰離子電池的負極材料及其制備方法技術

本發明專利技術提供一種高功率鋰離子電池負極材料及制備方法。作為本發明專利技術負極材料的石墨材料通過篩選小粒度的焦類原料保證了材料的倍率性能，同時利用高灰分的焦類的自粘結效果與小粒度焦類混合，通過冷等靜壓技術壓塊，同時采用艾奇遜爐型的石墨化爐直接進行石墨化，去除了坩堝的同時增加了單爐的裝爐量。與常規等靜壓技術相比，本發明專利技術的方法不采用粘結劑，減少了由于粘結劑石墨化揮發造成的比表面積偏大的問題，同時將大粒度與小粒度進行混合粘結，在保證倍率性能的同時改善材料的加工性能。

【技術實現步驟摘要】
一種高功率鋰離子電池的負極材料及其制備方法
本專利技術涉及鋰離子電池領域，具體涉及一種高功率鋰離子電池的負極材料及其制備方法。
技術介紹
隨著鋰離子電池應用的普及和消費者對鋰離子電池的期望，對于鋰離子電池的主流開發方向分為兩類，一方面是鋰離子電池容量的提升，另一方面是在保證容量的基礎上提升電池的功率性能，即能夠縮短充電時間、快速充電，這對電池的充電倍率性能提出了很高的要求，能夠提升電池的功率性能成為各類相關產品的推銷亮點，從各產品的廣告語中可見一斑，如，oppo手機的廣告語是“充電5分鐘，通話2小時”，Tesla的廣告語是“充電40分鐘，SOC80％”。特別地，作為動力汽車上使用的鋰離子電池，除了續航里程的要求外，充電時間是很重要的考核指標，傳統燃油汽車的充電時間僅為幾分鐘，而目前動力汽車的充電時間仍為2個小時以上，兩者還存在很明顯的差距。根據2018年新能源汽車補貼政策，充電倍率高于(含)3C屬于快充類純電動客車類。根據電池中國數據，2017年我國快充客車產量6486輛，電池裝機量為597.52MWh，僅為新能源客車總量的6％，由此可見電池充電倍率性能提升的難度和迫切程度。為了提升鋰離子電池的功率性能，對鋰電負極材料的研究重點包括以下四個方面：第一是提升負極材料的充電倍率性能，第二是在提升倍率性能的同時保證材料的循環性能，第三是解決大電流充電過程中材料表面析鋰的安全問題，第四是降低材料的成本以提升其使用價值。LongChen等人(Porousgraphiticcarbonnanosheetsasahigh-rateanodematerialforlithium-ionbatteries[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2013(5):9537-9545)采用二維多孔石墨納米片作鋰離子電池的負極活性材料，以金屬鋰作為對電極，制作的扣式電池在30C的大倍率下可以循環500次。J.S.Park等人(Edge-ExfoliatedGraphitesforFacileKineticsofDelithiation[J].ACSNano,2012(6):10770-10775)在石墨端面改性，添加了選擇性官能團，可以提升50C倍率下的容量發揮。但是不論是石墨納米片、還是端面的改性，制造工藝復雜，設備精度要求高，制造成本大幅升高。上述兩種方法僅限于實驗室階段的小樣實驗，沒有工業大規模生產的應用價值。
技術實現思路
針對現有技術的上述不足以及本領域中針對性的需求，本專利技術的目的在于保證材料比容量的基礎上提升材料的倍率性能，改善小粒度材料的加工性能，同時降低材料的生產成本，擴大材料的應用范圍。本專利技術通過控制原料大小粒度的比例保證材料的倍率性能。通過控制低灰分的小粒度材料焦類，保證材料的加工性能。利用高灰分焦類的自粘結性進行冷等靜壓處理，使其無需添加額外的粘結劑及進行碳化處理，大大降低了材料的成本。為實現上述目的，本專利技術提供了一種高功率鋰離子電池負極材料及制備方法。本專利技術的方案旨在：通過調整兩類不同粒度的焦類(石油焦、瀝青焦、煤焦等)的搭配，提升材料的倍率性能，同時控制焦類的灰分，在保證加工性能的同時利用無粘結劑的冷等靜壓技術進行石墨化，降低材料的成本。具體方案為：一種高功率鋰離子電池負極材料的制備方法，包括如下步驟：步驟1)采用兩種不同灰分的焦類原料進行磨碎及磨粉，分別得到不同粒度的兩種焦類原料，并在常溫下按比例進行物理混合。步驟2)將混合物進行冷等靜壓處理，得到方形塊狀待石墨化物料。步驟3)將塊狀物料在石墨化爐中進行高溫2800℃以上處理，得到石墨塊狀原料。步驟4)將塊狀石墨原料先經過粗破碎，再經過氣流磨粉至小粒度石墨。步驟5)墨粉后的石墨材料進行混合、過篩及除磁工序，最終制得高功率鋰離子電池負極材料。其中，步驟1)中，選取灰分在2-10％(Ad％)的焦類磨粉至粒度為2-10μm的小粒度焦類。步驟1)中，選取灰分在10-20％的焦類磨粉至粒度為10-30μm的大粒度焦類。步驟1)中小粒度焦類與大粒度焦類的比值為1：100～100：1(wt％)，優選為30：70～50：50(wt％)。步驟1)中小粒度焦類與大粒度焦類的混合時間為0.5-5.0h，優選為1.5-3.0h。步驟2)中的冷等靜壓的壓力為150-350Mpa，優選為200-300Mpa，保壓時間為10-60min，優選為25-45min。步驟2)中方形塊狀石墨的尺寸為20*20cm-100*100cm，優選為50*50cm-70*70cm。步驟3)中石墨化加工條件為：以2-5℃/h的速率緩慢升溫至1000-1200℃，再以5-10℃/h的速率升溫至2800℃-3200℃，恒溫1-3h，隨后自然降溫至100℃以下后出爐。步驟4)中最終氣流粉碎得到的小粒度石墨的粒度范圍是2-25μm，優選為5-15μm。步驟5)中過篩工序的篩網目數為50-400目，優選150-300目。除磁工序的溫度控制在20-100℃，優選50-70℃。本專利技術進一步提供一種高功率鋰離子電池的負極材料，該材料由上述方法制備而成。進一步地，本專利技術還提供一種鋰離子電池，包括上述負極材料。本專利技術的方法通過首先對于原料焦類進行灰分和粒度的篩選和控制，實現同種原料的不同性質的相互配合，在原料預處理中通過對焦類進行碳化處理后得到不同灰度范圍的所需原料，再針對不同灰度原料，進行不同程度的研磨使其達到所需粒度，從而得到具有所需特性的原料(保證加工性能的小粒度焦類和粘合作用的大粒度焦類)；通過控制焦類的灰分來降低材料的比表面積，改善材料的加工性能；用有效原料替代助劑(常規等靜壓技術需粘結劑維持物料塊體狀態)，降低成本、提高有效成分比例。同時，本專利技術通過冷等靜壓處理，通過模具壓制原料焦類，并且采用艾奇遜爐型的石墨化爐直接進行石墨化去除了坩堝所占空間，兩者相互作用大幅提高石墨化處理的裝爐量，能耗相同的情況下，產出大幅提升，進一步降低材料生產成本。綜上，采用本專利技術的方法制備的高功率的石墨負極材料，在保證倍率性能的同時，改善材料的加工性能，降低成本。附圖說明圖1是本專利技術的實施例1(圖1/b)與參照例2(圖1/a)的SEM圖。圖2為本專利技術的實施例1和參照例2材料的比容量曲線。具體實施方式下面通過具體實施例對本專利技術的技術方案作進一步描述說明，但本專利技術并不限于以下實施例。參照例11)將灰分為10％的焦類進行破碎及磨粉，得到粒度為12.0μm的小粒度焦類。2)裝入坩堝，在艾奇遜爐型內進行高溫石墨化，最高溫溫度為2800℃：以5℃/h的速率緩慢升溫至1200℃，再以10℃/h的速率升溫至2800℃，恒溫1.5h，自然降溫至100℃以下后出爐。3)將石墨化后的材料進行混合、過篩及除磁工序，制得常規人造石墨。參照例21)將灰分為8％的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種高功率鋰離子電池的負極材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：/n(1)按比例稱取小粒度焦類和大粒度焦類并進行混合；/n(2)將步驟(1)所得的混合物進行冷等靜壓處理，得到塊狀物料；/n(3)將步驟(2)所得的塊狀物料進行石墨化處理，得到塊狀石墨；/n(4)將步驟(3)所得的塊狀石墨先經過粗破碎，再經過氣流粉碎至小粒度石墨；/n(5)將步驟(4)所得的小粒度石墨進行混合、過篩及除磁工序，制得所述負極材料。/n

【技術特征摘要】
1.一種高功率鋰離子電池的負極材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
(1)按比例稱取小粒度焦類和大粒度焦類并進行混合；
(2)將步驟(1)所得的混合物進行冷等靜壓處理，得到塊狀物料；
(3)將步驟(2)所得的塊狀物料進行石墨化處理，得到塊狀石墨；
(4)將步驟(3)所得的塊狀石墨先經過粗破碎，再經過氣流粉碎至小粒度石墨；
(5)將步驟(4)所得的小粒度石墨進行混合、過篩及除磁工序，制得所述負極材料。


2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中所述小粒度焦類與所述大粒度焦類的質量比為1：100～100：1，優選為30：70～50：50。


3.如權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的所述小粒度焦類的粒度為2-10μm、且灰分為2-10％。


4.如權利要求1-3任一所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的所述大粒度焦類的粒度為10-30μm、且灰分為10-20％。


5.如權利要求...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉建紅，王興勤，王慧，高亞倫，高云，
申請(專利權)人：中信國安盟固利動力科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11