一種鋰離子電池納米炭微球負極材料及其制備方法技術

本發(fā)明專利技術涉及一種鋰離子電池納米炭微球負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池負極材料技術。所述的鋰離子電池納米炭微球負極材料由煤瀝青基兩親性炭材料、石油瀝青基兩親性炭材料、中間相瀝青基兩親性炭材料、石油焦基兩親性炭材料、針狀焦基兩親性炭材料和瀝青焦基兩親性炭材料之中的一種經過配制溶液、攪拌以及精餾分離等步驟制成，本發(fā)明專利技術制備的納米炭微由兩親性炭材料在表面張力的約束下自組裝形成，因此球粒徑均勻，球形度好，作為鋰離子電池負極材料具有高的可逆容量和優(yōu)良的循環(huán)性能。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于制備鋰離子電池負極的材料及其制備方法，更具體地說，本專利技術涉及，屬于鋰離子電池負極材料技術。
技術介紹
鋰離子二次電池能量密度大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、無污染、安全性能好，使其在便攜式電子設備、電動汽車、大規(guī)模儲能、空間技術、國防工業(yè)等多方面具有廣泛的應用前景，成為“十二五”期間的研究熱點。商品化的鋰離子電池的結構通常包括正極、負極、隔膜、電解液、中心端子、正極引線、電池外殼、負極引線、絕緣材料、安全閥、溫度控制端子等。其中，負極材料的研究是鋰離子電池的關鍵技術之一。炭電極材料以其高度的結構穩(wěn)定性和良好的循環(huán)性能引起世界范圍內的廣泛研究與開發(fā)，成為目前已經實現(xiàn)商業(yè)化應用的鋰離子電池負極材料。由于制備方法和前驅體結構性質的不同，所制備炭材料的微觀結構和形貌存在很大差異。在已商品化的炭材料中，炭微球被認為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ摹＿@是因為與其它炭材料相比，炭微球有以下優(yōu)點球狀結構有利于實現(xiàn)緊密堆積，從而可制備高密度的電極；球形炭的光滑表面和低的比表面積可以減少在充電過程中電極表面副反應的發(fā)生，從而降低第一次充電過程中的庫侖損失；球形結構可以使電解液中的鋰離子在球的各個方向嵌入和脫出，解決了石墨類材料由于過高各向異性引起的石墨片層溶脹、塌陷和不能快速大電流充放電的問題。目前球形炭鋰離子電池負極材料的原料主要包括以下幾類石墨、重質芳烴、高分子聚合物、生物質材料等。賈永平等在“鋰離子動力電池人造石墨負極材料的制備方法” (CN200610014878. 6)中，以煤浙青為原料，經過高溫熱縮聚以及石墨化處理，得到了具有高倍率放電性能的鋰離子電池人造球形石墨負極材料。趙碩等以馬鈴薯淀粉為原料，得到石墨化度較高的炭微球，這種球形炭作為鋰離子電池負極材料具有較高的容量。Wang Q等在 “Novel spherical microporous carbon as anode material for Li-ion batteries，，中， 以蔗糖為原料通過水熱法制備出粒徑6. 5μπι左右的硬炭球。這種鋰離子電池負極材料可 3^ ^WfiMii 430mA h/go Kwon "Preparation of spherical carbon for use as anode material for lithium secondary battery, involves heat-treating a mixture of carbon precursor and dispersion media”(Cm461283_A)中，酚醛樹脂等為原料，制備出具有良好性能的球形炭鋰離子電池負極材料。然而上述制備方法需要的設備往往比較復雜，能耗高，在生產過程中不僅存在污染，而且成本較高。此外，由于近年來鋰離子電池在動力電池領域應用的需求日益增長，對電極材料倍率放電能力的要求也越來越高。大量研究表明，電極材料的粒子尺寸越大，鋰離子在運動過程中路徑越長，在放電過程中易產生更大的極化，其容量保持率越低。因此，相比之下，傳統(tǒng)的鋰離子電池容量比率相對較低。與粒徑分布在微米級別的負極材料相比，納米炭顆粒的尺寸要小幾個數量級，從而使鋰離子更容易嵌入和嵌出，這樣可以提高負極的倍率特性。上個世紀80年代末，研究者發(fā)現(xiàn)，將浙青、生焦等材料經過濃硝酸/硫酸混合物處理后，可以得到既能溶于部分有機溶劑，又能溶于堿性水溶液的材料。基于此特性，研究者將這類材料統(tǒng)稱為兩親性炭材料。由于兩親性炭材料是一種在保持浙青、生焦等前軀體固有優(yōu)點的同時，還兼?zhèn)淞怂苄裕还倌軋F性，熱固性等優(yōu)點的碳質材料。兩親性炭材料是在制備炭材料過程中可以避免有機溶劑的使用，降低化學試劑用量，省去氧化穩(wěn)定化過程， 具有經濟，節(jié)能，環(huán)保的特點，符合綠色化工的要求。綜上所述，為了滿足市場對鋰離子電池性能的需求，提升鋰電池的整體性能，以兩親性炭材料為原料開發(fā)成本低廉，適于量產的納米炭微球負極材料是非常有意義的。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術旨在解決現(xiàn)有技術中的問題，提供一種滿足市場對鋰離子電池性能的需求，提升鋰電池的整體性能，開發(fā)成本低廉，適于量產的納米炭微球負極材料。為了實現(xiàn)上述專利技術目的，其具體的技術方案如下一種鋰離子電池納米炭微球負極材料，其特征在于所述的鋰離子電池納米炭微球負極材料由煤浙青基兩親性炭材料、石油浙青基兩親性炭材料、中間相浙青基兩親性炭材料、 石油焦基兩親性炭材料、針狀焦基兩親性炭材料和浙青焦基兩親性炭材料之中的一種制成，該納米炭微球的粒徑為20-50nm，具有良好的球形度，球形度為70_90%，這些納米炭微球在溶劑置換過程中進一步生長形成200-1000nm的二次粒子；所述負極材料0. IC放電時可逆容量達到400-520mAh/g，首次充放電效率為60_80%，并且在大電流IOC放電時可逆容量仍然能達到380-490mAh/g，顯示了良好的動力性能。一種鋰離子電池納米炭微球負極材料的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟A、將煤浙青基、石油浙青基、中間相浙青基、石油焦基、針狀焦基和浙青焦基的兩親性炭材料之中的一種加入到去離子水中，配制質量濃度為5-10%的兩親性炭材料溶液，用水溶性堿如物質的量濃度為l-6mol/l的Κ0Η、物質的量濃度為l-6mol/l的NaOH、物質的量濃度為l-6mol/l的乙二胺或者質量濃度為20-35%的濃氨水調節(jié)兩親性炭材料溶液的pH為 10-14 ；B、取能夠與水互溶的低沸點極性有機溶劑(如無水乙醇或無水丙酮)之中的一種，按能夠與水互溶的低沸點極性有機溶劑與步驟A制得的兩親性炭材料溶液體積比為20-500 1, 在以轉速800-1500r/min攪拌情況下，將兩親性炭材料水溶液加入到能夠與水互溶的低沸點極性有機溶劑中，經過5-30min，停止攪拌，靜置，混合物分層，上層為有機溶劑與水的共溶物，下層含未溶的兩親性炭材料微粒；C、將步驟B得到的混合物的上層液體與下層分離，上層液體精餾分離后，有機溶劑可循環(huán)使用；D、下層含兩親性炭材料微粒的部分按步驟B處理，接著按步驟C分離，如此反復處理 3-5 次；E、經過步驟D處理的含兩親性炭材料微粒的混合物于50-70°C下蒸干有機溶劑，得到顆粒很細的黑灰色粉末，即為兩親性炭材料納米微球；5F、在炭化爐中，將步驟E制得的兩親性炭材料納米微球以I-IOtVmin的升溫速率升至 900-130(TC進行炭化處理1-池，然后自然冷卻至室溫，整個炭化過程在氮氣氣氛、氬氣氣氛或者氦氣氣氛的惰性氣氛下進行，獲得粒徑為20-50nm的納米炭微球。本專利技術帶來的有益技術效果1、本方法用到的浙青、石油焦等初始原料價格低廉，來源豐富，易于實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產；2、本專利技術將浙青、石油焦等原材料制成了具有水溶性的兩親性炭材料，因此制備過程不需要加入任何表面活性劑，即可使炭前軀體均勻分散于水中，并在一定程度上減少了有機溶劑的使用，使得合成工藝變得簡單，并且綠色環(huán)保；3、此專利技術合成工藝以及使用設備簡單，比起傳統(tǒng)納米材料的合成方法如水熱法，模板法等，生產成本更為低廉；4、本專利技術制備的納米炭微由兩親性炭材料在表面張力的約束下自組裝形成，因此球粒徑均勻，球形度好，作為鋰離子電池負極材料具有高的可逆容量和優(yōu)良的循環(huán)性能。5、本專利技術制本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種鋰離子電池納米炭微球負極材料，其特征在于：所述的鋰離子電池納米炭微球負極材料由兩親性炭材料制成，該納米炭微球的粒徑為２０－５０ｎｍ，球形度為７０－９０％，這些納米炭微球在溶劑置換過程中進一步生長形成２００－１０００ｎｍ的二次粒子；所述負極材料０．１Ｃ放電時可逆容量達到４００－５２０ｍＡｈ／ｇ，首次充放電效率為６０－８０％，并且在大電流１０Ｃ放電時可逆容量為３８０－４９０ｍＡｈ／ｇ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王瑨，鄭威，梁孜，謝皎，李玉龍，王睿，
申請(專利權)人：中國東方電氣集團有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：90