一種鋰離子電池碳微球負極材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種鋰離子電池碳微球負極材料的制備方法，所述方法以炭黑、粘結劑與溶劑混合配制成漿料，噴霧干燥成型后，經高溫處理后得到鋰離子電池碳微球負極材料。本發明專利技術提供的鋰離子電池碳微球負極材料，球形度高，具有可控的粒徑，實現了負極材料的緊密堆積，提高了電極的體積能量密度，同時可以使鋰離子從各個方向嵌入，提高材料的結構穩定性，倍率性能和首次庫倫效率；在碳微球內部具有可控大小的空隙，構造了較多的離子傳輸通道，有助于提高材料的充放電容量和循環容量保持率；且制備原料主要為炭黑，來源廣泛，不用破碎，價格低廉；制備方法工藝簡單，環境友好，能耗與成本低廉，易大規模生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種鋰電池負極材料及其制備方法，更具體地說，本專利技術涉及，屬于鋰離子電池負極材料

技術介紹
鋰離子電池是指以兩種不同的能夠可逆地嵌入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負極的二次電池體系。充電時，鋰離子從正極脫嵌，通過電解質和隔膜，嵌入到負極中；放電時則相反，鋰離子從負極脫嵌，通過電解質和隔膜，嵌入到正極中。鋰離子電池是能夠滿足各種便攜式電子設備、電動工具和電動汽車的廣泛使用和高速發展需要的一種化學電源，具有電壓高、比能量大、放電電壓平穩、低溫性能良好、安全性能優異及易貯存和工作壽命長等優點。鋰離子電池的負極是由負極活性物質、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側，經干燥、滾壓而成。早期的鋰離子電池由于采用金屬鋰作為負極材料存在著“鋰枝晶”、“死鋰”等現象，嚴重制約了其發展應用。負極材料的制備是鋰離子電池的關鍵技術之一。石墨化碳材料以其高度的結構穩定性和良好的循環性能，成為目前已經商業化應用的鋰離子電池負極材料。由于有機溶劑分子在石墨層中的共嵌入，存在溶劑分解的現象，造成石墨電極材料的剝落、粉化等現象；并且由于石墨表面活性位和缺陷的存在，在材料表面形成不穩定的固體電解質界面膜，電極庫倫效率降低，容量衰減嚴重，進而影響電池的循環性能。為了制備具有高容量、可靠循環、熱力學性能穩定的負極材料，目前主要的負極碳材料主要包括改性的石墨材料、中間相碳微球、石墨化碳纖維以及多種軟碳和硬碳材料形成的無定形碳材料。由于制備方法和前驅體結構性質的不同，所制備碳材料的微觀結構和形貌存在很大差異。在已商品化的碳材料中，碳微球被認為是最具有發展潛力的。這是因為與其它碳材料相比，碳微球具有較多優點。例如，球狀結構有利于實現緊密堆積，從而可提高電極的體積能量密度；球形結構可以使鋰離子能夠從各個方向嵌入和脫出，解決了石墨類材料由于各向異性引起的石墨片層的溶脹，坍塌和倍率的限制。CN101800304A采用天然鱗片石墨微粉與黏結劑如聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)混合，經噴霧干燥后，再經60(Γ1000V高溫處理熱處理，得到20-50微米的球形石墨粉體。CN102723469A利用石墨微粉與高分子樹脂混合攪拌，經由噴霧成球干燥和高溫處理后得到球形碳材料，作為鋰離子電池負極材料。CN102522532A采用天然石墨、石油焦、浙青復合而成，過程包括混合、混捏、軋片、粉碎、成型、炭化、石墨化(2800°C以上)、球形化等步驟得到球形碳負極材料。 CN102709532A采用針狀石油焦、煤焦油、樹脂為原料，在壓力容器中進行液相脫水處理，然后通過包覆改性、低溫固化、炭化，最后經高溫熱處理、冷卻篩選后制成球形負極碳材料。CN1461283A采用樹脂、浙青及其混合物為原料通過加入分散介質混合、分散介質去除、氧化穩定、高溫熱處理(2000-3200 V )過程制備出球形碳材料。CN1191195C采用葡萄糖、蔗糖、果糖、纖維素或淀粉，或酚醛樹脂、聚丙烯晴、環氧樹脂與固化劑鄰苯二甲酸酐的混合物；或環氧樹脂與聚甲醛和苯酚的混合物與溶劑配成均相分散體系，經過液相脫水、洗滌干燥、高溫處理制得球體或橢球體硬碳材料，該材料可以作為二次鋰電池的負極活性材料。所述制備方法不足之處在于制備工藝繁瑣，設備復雜，污染較大，能耗和成本較高。現有技術中，如果采用石墨粉或石油焦為原料，很難達到足夠的細度，得到的球形碳材料球形度較差，振實密度低；如果采用的原料是含碳聚合物(如酚醛樹脂)，原料成本較高。因此，本領域需要開發一種成本較低的鋰離子電池碳微球負極材料，所述碳微球負極材料的制備方法工藝簡單，環境友好，能耗與成本低廉，且易于大規模工業化。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術的目的之一在于提供一種鋰離子電池碳微球負極材料。本專利技術的目的之二在于提供一種目的之一所述鋰離子電池碳微球負極材料的制備方法。本專利技術的目的之三在于提供一種使用目的之一所述鋰離子電池碳微球負極材料的鋰離子電池。本專利技術所述負極材料具有很好的球形結構；所述碳微球負極材料包含由炭黑材料和粘結劑經高溫處理后形成的硬碳材料；所述的碳微球負極材料的內部具有適當尺寸的空隙結構，且碳微球的直徑和顆粒內部空隙尺寸可控，所述孔隙結構的尺寸優選為f 10納米，例如7納米、1、納米、3 10納米、4、納米等；所述負極材料具有較高的倍率特性、可逆容量和初始效率，且成本低廉。良好的球形結構有利于實現負極材料的緊密堆積，提高電極的體積能量密度，同時可以使鋰離子從各個方向嵌入，提高材料的結構穩定性、倍率性能和首次庫侖效率；碳微球內部尺寸可控的空隙結構，有助于提高材料的充放電容量和循環容量保持率。本專利技術采用低成本的炭黑、粘結劑與溶劑為原料，混合配制成漿料，通過噴霧干燥成型后，經高溫處理后得到鋰離子電池碳微球負極材料。所述負極材料由炭黑顆粒與粘結劑高溫處理后得到的硬碳組成，具有很好的電子電導與離子傳輸通道。本專利技術所述炭黑選自燈黑、氣黑、爐黑和槽黑中的任意I種或至少2種的混合物，典型但非限制性的炭黑的混合物為燈黑和氣黑的混合物、氣黑和槽黑的混合物、爐黑/燈黑/氣黑的混合物等。優選地，所述粘結劑為可溶于水或有機溶劑的具有粘結性能的物質，選自蔗糖、葡萄糖、玉米淀粉、木薯淀粉、小麥淀粉、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯蠟、酚醛樹脂、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇縮丁醛中的任意I種或至少2種的組合，所述組合例如蔗糖/葡萄糖的組合、玉米淀粉/木薯淀粉的組合、小麥淀粉/羧甲基纖維素/聚乙二醇的組合、聚乙二醇/聚乙烯醇/酚醛樹脂的組合等。優選地，所述溶劑可以為水、乙醇、乙醚、丙酮、四氫呋喃、苯、甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺中的任意I種或至少2種的組合，所述組合例如水/乙醇的組合、乙醇/乙醚的組合、苯/甲苯/ 二甲苯的組合、乙醚/丙酮/四氫呋喃/ 二甲基甲酰胺的組合等。本專利技術所述的炭黑優選納米級炭黑，納米級炭黑不需要破碎，可直接和可溶性含碳有機粘結劑混合噴霧干燥成球。優選地，所述炭黑粒徑為2飛00納米，例如2 100納米、3 450納米、6 380納米、15 215納米、26 360納米、48 485納米、75 215納米、105 486納米等，優選5 300納米,進一步優選5 100納米。炭化又稱干餾，是固體或有機物在隔絕空氣條件下加熱分解的反應過程。不同物質干餾所需的溫度差別很大，可以從100°C (如木材干餾)到1000°C (如煤高溫干餾)以上；壓力可以是常壓，也可以是減壓。石墨化是制備石墨化纖維的后道工序，一般是在2000 3300°C的氬氣或者氮氣氣氛中進行。本專利技術所述的高溫處理為進行炭化或石墨化。優選地，所述高溫處理在固定床、流化床或高溫石墨化爐中進行；高溫處理的溫度為 600 3000。。，例如 602°C、625°C、680°C、825°C、900°C、974°C、1068°C、1256°C、1500°C、1580 V、1635 V、1784 ° C、1965 °C .2300 °C .2650 °C .2980 V 等；所述高溫處理的時間優選為I 24h，例如 2h、5h、13h、17h、20h、22h、23h 等。優選地,所述高溫處理在惰性氣氛中進行,所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋰離子電池碳微球負極材料的制備方法，其特征在于，所述方法以炭黑、粘結劑與溶劑混合配制成漿料，噴霧干燥成型后，經高溫處理后得到鋰離子電池碳微球負極材料。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇發兵，張美菊，王艷紅，翟世輝，
申請(專利權)人：中國科學院過程工程研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11