[发明专利]包覆剂、包覆改性的石墨负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池

说明书

本发明公开了一种包覆剂、包覆改性的石墨负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池，该包覆剂包括溶质、溶剂和助剂，溶质为煤沥青、石油沥青、石油树脂中的一种或多种；助剂包括交联剂。该包覆改性的的石墨负极材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将石墨骨料与所述包覆剂混合，得混料A；S2、对所述混料A进行热处理，得混料B；S3、将混料B经碳化处理，即可。本发明制备的石墨负极材料的石墨骨料结构保持良好；其具有优异的锂离子快速嵌入、脱出能力和优异的循环能力。本发明的制备方法简单可行，具备可规模生产、成本低、绿色环保、使用方便等优势。

技术领域

本发明涉及一种包覆剂、包覆改性的石墨负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池。

背景技术

与其他二次电池相比，锂离子电池不仅能量密度高、工作电压高、循环寿命长，而且还具有安全性能好、环保无污染等独特的优势。因此，锂电池广泛应用于各式各样的微电子便携设备、交通工具和航空航天等设备。随着技术的发展，对电化学储能装置提出了更高的快速充电的要求。

作为四大主要材料之一的负极材料对锂电池的快速充电能力起着至关重要的作用，因此负极材料是提升锂离子电池快速充电能力的主要突破口之一。目前商业使用的锂离子电池负极材料主要是人造石墨和少量的天然石墨。由于石墨材料经过充分的结晶过程，因此其晶面完善，结晶度高，缺陷较少，导电率较高，电化学行为表现为稳定且嵌锂脱锂平台较低。正是石墨的完善结晶结构，导致锂离子在石墨晶体内扩散时，只能在石墨片层间进行二维扩散，难以逾越石墨烯片层的障碍。石墨晶体的典型石墨烯片层间距为0.336nm，而锂原子的直径已经接近于这个尺寸，因此锂原子在石墨片层的扩散速率较小，宏观的电化学表现为：快速充电时，锂离子嵌入石墨的速度较慢、电化学极化增大、容量迅速降低。未经改性的石墨，2C充电容量已经降低到10％以下，更加难以满足当前主流的3C充电速率要求。

目前，解决石墨负极材料的锂离子快速嵌入能力不足问题的主要方法有以下两种：降低石墨负极材料的颗粒粒径和对石墨负极材料进行表面改性。对于第一种方法，当前主流的石墨负极材料粒径为5～30μm，进一步降低石墨颗粒的大小使得石墨负极电极片的加工愈发困难，并且使得组装好的电池性能劣化较快，难以满足实际需求。对于第二种方法，对石墨表面进行改性不仅可以改善石墨颗粒对电解液的润湿性能、兼容性能，还能改善锂离子在石墨表面的扩散路径，提高锂离子的扩散速率并提升负极材料的结构稳定性。在不劣化加工性能的前提下，极大的提高了石墨负极在锂离子电池中的电化学性能和循环寿命。

传统的锂电池石墨负极材料表面改性一般采用沥青作为包覆剂，经过混料、熔融包覆、碳化达到在石墨颗粒表面包覆一层软碳的目的。比如中国专利CN201811231901.6公开了一种沥青包覆球形天然石墨负极材料的制备方法，具体步骤为：将高软化点沥青与球形天然石墨加入到VC混合机内，充分混合40～50min，然后将混合好的物料取出装入石墨坩埚，送入窑内升温至1040～1060℃并保温3～4h，样品炭化完毕后取出样品，使用机械打散并将样品过200目筛进行筛分。该球形石墨沥青包覆工艺简单，但是该工艺制备的石墨材料中锂离子嵌入速率不高，不能满足锂电池的大电流快速充电要求。

硬炭类材料与石墨类材料虽然都是由碳元素构成，但是其晶型结构完全不同。硬炭类材料具有微小且不完善的石墨微晶结构，平均晶面间距大于石墨的晶面间距(0.336nm)，因此，锂离子可以快速地在硬炭材料中进行近似于各向同性的扩散，宏观表现为大电流充电和嵌锂容量高。中国专利CN201110360282.2提供了一种核壳结构的锂电池硬炭微球负极材料及其制备方法，所述的核壳结构的锂电池硬炭微球负极材料由淀粉以及表面的石墨化层制成。该材料表面经过催化石墨化处理形成了石墨化层，而内部保持了硬炭结构，通过制备淀粉基硬炭微球、催化石墨化处理得到产品。该发明制备核壳结构的锂电池硬炭微球负极材料的工艺复杂，控制点较多，不利于工业化生产和作为锂电池负极材料使用。

发明内容