[发明专利]一种石墨负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨负极材料及其制备方法，人造石墨的骨料分为煤系、石油系以及煤和石油混合系三大类，其中煤系针状焦、石油系针状焦以及石油焦应用最广，高端负极采用针状焦作为原材料，中低端负极采用价格便宜的石油焦作为原料，沥青则作为粘结剂起到将不同粒子粘结到一起的作用，以煤焦油沥青为碳源，对制备的硅/石墨/碳复合材料进行二次碳包覆改性，再将二次碳包覆后的硅/石墨/碳复合材料和人造石墨混合成硅碳‑石墨产品，研究了不同二次碳包覆量对硅碳‑石墨性能的影响，其首次充电比容量为425.2mAh/g，首次库伦效率为94.8％。

技术领域

本发明涉及石墨负极材料技术领域，具体为一种石墨负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电子装置的微型化，越来越需要更大容量的二次电池。特别令人瞩目的是锂离子电池，与镍镉或镍氢电池相比，使用锂离子电池具有更高的能量密度，目前，锂离子电池被广泛地应用于移动电子设备、电动汽车以及混合动力汽车,对高比容量以及长循环寿命的需求也愈加迫切石墨类负极材料具有优异的循环性能，作为锂离子电池用负极材料，目前已经研究了例如金属或石墨等颗粒状材料。随着电池容量的增加，特别需要可以以更高的电极密度(例如1.7g/cm3或高于1.7g/cm3)使用的负极材料。

石墨烯是碳负极材料的后起之秀，是纯粹的具有二维网状结构的单层碳原子，它具有较高的内在载流子迁移率(200000cm2V-Is1)、优良的热传导率(5000W mrIK-1)、非常高的光透过率(～97.7％)、较高的理论比表面积(2630m2g1)和优异的机械性能。具有这些独特物化性质的石墨烯满足替代商业化的石墨负极成为锂离子电池负极材料的条件，然而纯石墨烯的能量密度无法满足人们最初对它的预期，使得石墨烯应用受到了很大的阻碍。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨负极材料及其制备方法，

S1：人造石墨的骨料分为煤系、石油系以及煤和石油混合系三大类，其中煤系针状焦、石油系针状焦以及石油焦应用最广；

S2：高端负极采用针状焦作为原材料，中低端负极采用价格便宜的石油焦作为原料，沥青则作为粘结剂起到将不同粒子粘结到一起的作用；

S3：天然石墨加工中较大的步骤是破碎、造粒、石墨化、筛分这四个主要工序，由于天然石墨存在缺陷，所以还必须进行球形化处理、除磁性物质、表面包覆等步骤，也是为了提高天然石墨的物理性能以及电化学性能；

S4：在石墨化过程中，针状焦原料中按针状纹理走向排布的多个石墨化微区(2～5nm)紧密连接，形成20～70nm的石墨化域，从而形成具有较好的各向同性织构；

S5：石墨球形化处理使其粒度可控、粒度分布集中、颗粒圆整、表面光滑、振实密度增大和比表面积减小，从而减少石墨与电解液反应；表面处理是通过化学反应方式改变改善石墨倍率性能及循环稳定性等；掺杂处理因掺杂元素不同表现出的优化效果存在差异，如添加同样具有储锂能力的元素(Si、Sn)对石墨负极材料比容量有所提高；

S6：将石墨进行200℃的热处理，主要是为了将氧化石墨还原排出层间水和其内部的含氧官能团，增加材料的导电性和稳定性，石墨经200℃热还原处理后比表面积增幅较大，比表面积增大主要是由于：插入层间的含氧集团在高温下快速分解产生大量的水蒸气和二氧化碳等气体，这些气体剧烈的排出，使氧化石墨的表面形成大量的孔隙结构；

S7：分别采用不同软化点沥青为包覆剂和不同类型的混料设备制备了改性锂离子电池负极材料，使用高软化点沥青为包覆剂制备的改性碳负极材料形貌规整、包覆均匀，首次放电容量大于360mAh/g，效率大于92％，循环300周后平均容量保持率90％以上，使用高软化点(＞280℃)沥青包覆剂制备的碳锂离子电池负极材料整体性能要好于使用低软化点沥青为包覆剂制备的碳锂离子电池负极材料。