復合鋰離子電池負極材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是關于一種復合鋰離子電池負極材料，該復合鋰離子電池負極材料主要由以下組分組成：針狀焦粉，重量百分比為30%-50%；天然球形石墨粉，重量百分比為20%-30%；各向同性焦粉，重量百分比為15%-25%；瀝青焦粉，重量百分比為10%-20%。本發(fā)明還提供了一種復合鋰離子電池負極材料的制備方法。本發(fā)明的復合鋰離子電池負極材料具有良好的吸液能力、保液能力、循環(huán)性能、低溫性能、能量密度和功率密度，并具有安全性能優(yōu)異的特點。
【專利說明】復合鋰離子電池負極材料
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池領域的負極材料，特別是涉及一種復合鋰離子電池負極材料。
【背景技術】
[0002]與鋰離子電池其他部件相比，鋰離子電池負極材料的發(fā)展較為成熟。在商業(yè)應用中，石墨類碳材料技術較為成熟，市場價格也比較穩(wěn)定，但隨著鋰離子動力電池對能量密度、功率密度、安全等性能的要求不斷提升，現(xiàn)有負極材料越來越不能滿足現(xiàn)實需求。
[0003]鋰離子電池負極材料要求具備以下的特點:①盡可能低的電極電位；②離子在負極固態(tài)結構中有較高的擴散率；③高度的脫嵌可逆性；④良好的電導率及熱力學穩(wěn)定性；⑤安全性能好；⑥與電解質溶劑相容性好；⑦資源豐富、價格低廉；⑧安全、無污染。
[0004]目如，對裡尚子電池負極材料的研究較多有:碳材料、娃基材料、錫基材料、欽酸鋰、過渡金屬氧化物等。
[0005]石墨類碳材料技術比較成熟，在安全和循環(huán)壽命方面性能較好，并且廉價、無毒，是較為常見的負極材料。常規(guī)鋰離子電池負極材料包括天然石墨、天然石墨改性材料、中間相炭微球和石油焦類人造石墨。天然石墨和天然石墨改性材料價格比較低，但是在充放電效率和使用壽命方面有待進一步提高。石油焦類的產品在放電效率和循環(huán)壽命方面比較突出，但存在著高成本和制備工藝復雜的問題。
[0006]近年來，隨著研究工作的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)通過對石墨和各類碳材料進行表面改性和結構調整，或使石墨部分無序化，或在各類碳材料中形成納米級的孔、洞和通道等結構，有利于鋰在其中的嵌入一脫嵌。目前，硬碳材料由于存在首效低、壓實密度低、工藝不成熟等問題，因此，還沒有進入大規(guī)模商品化階段，國內相關領域仍處于試驗階段，相關文獻報道很少。
[0007]動力電池市場要求鋰離子電池具有高倍率放電性能、高安全性能、高效率、高循環(huán)壽命。同時，針對電動汽車的產業(yè)化前景，待開發(fā)的材料應該具有低成本的特點。
[0008]有鑒于上述現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產品設計制造多年豐富的實務經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新的復合鋰離子電池負極材料，能夠改進一般現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料，使其性能更加優(yōu)異，成本更加低廉。經(jīng)過不斷的研究、設計，并經(jīng)反復試作及改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料存在的缺陷，而提供一種新的復合鋰離子電池負極材料，所要解決的技術問題是通過鋰離子電池負極材料性能的改善，從而提高鋰離子電池的比容量、首庫倫效率。
[0010]本發(fā)明的另一目的是通過新型復合鋰離子電池負極材料，從而克服現(xiàn)有鋰離子動力電池的使用壽命較短、低溫性能較差的缺陷。
[0011]本發(fā)明的再一目的在于，提供一種制備復合鋰離子電池負極材料的方法，該方法步驟相對簡單，從而更加適于實用。
[0012]本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種復合鋰離子電池負極材料，其主要由以下組分組成:針狀焦粉，重量百分比為30%-50% ;天然球形石墨粉，重量百分比為20%-30% ;各向同性焦粉，重量百分比為15%-25% ；浙青焦粉，重量百分比為10%-20%。
[0013]本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現(xiàn)。
[0014]前述的復合鋰離子電池負極材料，其進一步含有重量百分比為1%_5%的同位素。
[0015]前述的復合鋰離子電池負極材料，其中所述的針狀焦粉的煅燒溫度為14000C -16000C，堆積密度為0.7-0.8克/立方厘米，粒徑為10納米-300納米，所述的天然球形石墨粉的粒徑為10納米-800納米，含碳量為99.93%-99.99%，所述的各向同性焦粉的粒徑為100納米-300納米，所述浙青焦粉的粒徑為100納米-500納米，灰分小于0.05%。
[0016]前述的復合鋰離子電池負極材料，同位素選由同位素晶體、同位素合金晶體或其化合物晶體制成，所述的同位素選自12C或59Co。
[0017]前述的復合鋰離子電池負極材料，其平均粒徑D5tl為200納米-600納米，比表面積為7.0-12.0m2/g，平均孔徑2納米-10納米。
[0018]本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下的技術方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種制備復合鋰離子電池負極材料的方法，其包括以下步驟:混合步驟，將粉料按一定重量百分比混合均勻；石墨化步驟，將混合物物料置于石墨化爐中進行石墨化純化處理，最終制得鋰離子二次電池負極材料，石墨化處理溫度在2500-3000°C范圍內；整形工藝，進一步對石墨化后的粉料進行整形、分級、篩分，得到復合鋰離子電池負極材料。
[0019]本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現(xiàn)。
[0020]前述的制備復合鋰離子電池負極材料的方法，其中所述的粉料包括針狀焦粉、天然球形石墨粉、各向同性焦粉和浙青焦粉，所述的針狀焦粉的重量百分比為30%-50%，天然球形石墨粉的重量百分比為20%-30%，各向同性焦粉的重量百分比為15%-25%，浙青焦粉的重量百分比為10%-20%。
[0021]前述的制備復合鋰離子電池負極材料的方法，其中所述的粉料進一步含有重量百分比為1%_5%的同位素，所述的同位素由同位素晶體、同位素合金晶體或其化合物晶體制成，所述的同位素選自12C或59Co。
[0022]前述的制備復合鋰離子電池負極材料的方法，其中所述的復合鋰離子電池負極材料的平均粒徑D5tl為200納米-600納米，比表面積為7.0-12.0m2/g,平均孔徑2納米-10納米。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術方案可知，為了達到前述發(fā)明目的，本發(fā)明的主要技術內容如下:
[0024]本發(fā)明提出一種復合鋰離子電池負極材料，采用軟硬碳復合的形式，具有如下優(yōu)點:提高了材料的體積密度(大于2.0g/ml)和材料的各向同性(改善材料的循環(huán)性能);吸液能力和保液能力優(yōu)異，在30天仍能保持初始離子電導率的92%以上，體現(xiàn)出極強的吸液保液能力；循環(huán)性能優(yōu)異，1000周循環(huán)容量保持95%以上；首次庫倫效率93%以上，低溫性能優(yōu)異，相對于普通負極材料，在-40°C下的放電電壓平臺提高0.17V,低溫放電容量提高了7.5% ;比容量可達400mAh/g以上。
[0025]在本發(fā)明中，軟硬碳復合的技術優(yōu)勢是減少各自的缺點:比如軟碳容量較低，循環(huán)較差，硬炭庫倫效率低等缺點，綜合性能好。陰離子S、P等可以以S、P化合物比如黃磷等、還可以摻N比如尿素等以添加劑的形式加入進去，可以改善材料的容量、吸液性能、倍率性能和循環(huán)性能等。
[0026]綜上所述，本發(fā)明特殊的復合鋰離子電池負極材料，其具有上述諸多的優(yōu)點及實用價值，并在同類產品中未見有類似的設計公開發(fā)表或使用而確屬創(chuàng)新，其不論在產品、制備方法或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，并產生了好用及實用的效果，且較現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料具有增進的多項功效，從而更加適于實用，而具有產業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
[0027]上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例詳細說明如后。
【具體實施方式】
[0028]為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，以下結合較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的復合鋰離子電池負極材料其【具體實施方式】詳細說明如后。
[0029]實施例1-5
[0030]本發(fā)明通過實例1-5說明本發(fā)明復合鋰離子電池負極材料的組成、性能和制備方法。
[0031]制備步驟包括:
[0032]混合步驟，將粉料按一定重量百分比混合均勻；
[0033]石墨化步驟，將混合物物料置于石墨化爐中進行石墨化純化處理，最終制得鋰離子二次電池負極材料，石墨化處理溫度在2500-3000°C范圍內；
[0034]整形工藝，進一步對石墨化后的粉料進行整形、分級、篩分，得到復合鋰離子電池負極材料。
[0035]另外，本發(fā)明優(yōu)選實施例中還可以進一步包括壓塊工藝和浸潰浙青工藝。壓塊工藝和浸潰浙青工藝主要是提高材料的體積密度，并使材料更好的融合在一起，能提高材料壓實密度，改善材料的循環(huán)性能。
[0036]表I列出了各優(yōu)選實施例復合鋰離子電池負極材料的組成和物理性能，以及對照實例的組成和物理性能。表2列出了對照實例、對應實施例復合鋰離子電池負極材料組成的鋰離子電池的性能。
[0037]表I
[0038]
【權利要求】
1.一種復合鋰離子電池負極材料，其主要由以下組分組成: 針狀焦粉，重量百分比為30%-50% ;天然球形石墨粉，重量百分比為20%-30% ;各向同性焦粉，重量百分比為15%-25% ;浙青焦粉，重量百分比為10%-20%。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰離子電池負極材料，其進一步含有重量百分比為1%-5%的同位素。
3.根據(jù)權利要求1所述的復合鋰離子電池負極材料，其中所述的針狀焦粉的煅燒溫度為1400°C -1600°C，堆積密度為0.7-0.8克/立方厘米，粒徑為10納米-300納米，所述的天然球形石墨粉的粒徑為10納米-800納米，含碳量為99.93%-99.99%，所述的各向同性焦粉的粒徑為100納米-300納米，所述浙青焦粉的粒徑為100納米-500納米，灰分小于0.05%。
4.根據(jù)權利要求2所述的復合鋰離子電池負極材料，其中所述的同位素選由同位素晶體、同位素合金晶體或其化合物晶體制成，所述的同位素選自12C或59Co。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一權利要求所述的復合鋰離子電池負極材料，其平均粒徑Dki為200納米-600納米，比表面積為7.0-12.0m2/g，平均孔徑為2納米-10納米。
6.一種制備復合鋰離子電池負極材料的方法，其包括以下步驟: 混合步驟，將粉料按一定重量百分比混合均勻； 石墨化步驟，將混合物物料置于石墨化爐中進行石墨化純化處理，最終制得鋰離子二次電池負極材料，石墨化處理溫度在2500-3000°C范圍內； 整形工藝，進一步對石墨化后的粉料進行整形、分級、篩分，得到復合鋰離子電池負極材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的制備復合鋰離子電池負極材料的方法，所述的粉料包括針狀焦粉、天然球形石墨粉、各向同性焦粉和浙青焦粉，所述的針狀焦粉的重量百分比為30%-50%，天然球形石墨粉的重量百分比為20%-30%，各向同性焦粉的重量百分比為15%-25%，浙青焦粉的重量百分比為10%-20%。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備復合鋰離子電池負極材料的方法，所述的粉料進一步含有重量百分比為1%-5%的同位素,所述的同位素由同位素晶體、同位素合金晶體或其化合物晶體制成，所述的同位素選自12C或59Co。
9.根據(jù)權利要求6-8中任一權利要求所述的制備復合鋰離子電池負極材料的方法，其中所述的復合鋰離子電池負極材料的平均粒徑D5tl為200納米-600納米，比表面積為7.0-12.0m2/g，平均孔徑2納米-10納米。
【文檔編號】H01M4/583GK103682347SQ201310491729
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】羅建偉, 黃雨生, 吳壯雄, 楊建鋒, 周新 申請人:江西正拓新能源科技有限公司