[發明專利]動力鋰離子電池用煤基復合負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201711280108.0
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN108054357A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 王興蔚;王北平;侯佼;馬少寧;侯春平;龔波林
• 申請（專利權）人: 寧夏博爾特科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/587;H01M10/0525;C04B35/52;C04B35/622
• 代理公司: 深圳市中知專利商標代理有限公司 44101
• 代理人: 孫皓;林虹

本發明公開了一種動力鋰離子電池用煤基復合負極材料及其制備方法，要解決的技術問題是降低生產成本，保護環境，適合大規模產業化生產。本發明的動力鋰離子電池用煤基復合負極材料，以石墨化度為75～90％的石墨化無煙煤為基體，基體外包覆有介孔碳，介孔碳包覆層質量為基體質量的2.0～7.5％。本發明的動力鋰離子電池用煤基復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：粉碎，配料混合，壓坯，高溫石墨化，包覆固化，熱解。本發明與現有技術相比，動力鋰離子電池用煤基復合負極材料具有高容量，高倍率充放電性能，長循環壽命，對環境友好、制備方法簡單、工藝條件容易控制，生產成本低，適合大規模產業化生產。

技術領域

本發明涉及一種新能源材料，特別是一種動力鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

目前商品化的鋰離子電池主要采用石墨類碳材料作為負極活性物質，包括天然石墨和人造石墨兩大類。天然石墨用作鋰離子電池的負極材料，具有放電比容量高，加工性能好的優點，但其高低溫性能不好，同時與有機電解液的相容性差，充放電時易發生石墨片層剝離，影響大電流充放電性能及循環壽命。現有技術采用球形化處理、表面微氧化、表面包覆、表面有機化和元素摻雜的改性手段，雖然能夠在一定程度上改善天然石墨的表面結構和化學性能，降低電解液對石墨層片的腐蝕，有效提高天然石墨負極材料首次充放電效率和循環壽命，但對其倍率充放電性能，高低溫性能的改善有限，這使得天然石墨較難滿足動力鋰離子電池對高功率和高安全性能的使用要求。

相比于天然石墨，人造石墨負極材料主要以石油焦、針狀焦為原料，瀝青作結合劑，經煅燒、配料、混捏、壓型、焙燒、石墨化、機加工而制成，雖然人造石墨負極材料放電比容量相較偏低，但由于其具有良好的循環穩定性、優異的高低溫性能、良好的安全性能，是目前動力鋰離子電池市場上應用最為廣泛的負極材料。但現有技術的人造石墨負極材料制備體系，原材料價格高，工藝流程復雜，使產品生產成本較高，同時，隨著動力用鋰離子電池對高能量密度、高功率的發展需求，迫使人造石墨負極材料需通過不斷改性進一步提高放電容量和高倍率充放電性能，降低成本。

無煙煤作為優質的碳素材料，主要成分為碳，其中芳烴結構或芳烴分子占有較大比例，而這些芳烴結構或芳烴分子也可以在適當的條件下轉化為石墨材料，是一種較為理想的制備人造石墨的原料。由于石墨化無煙煤與天然微晶石墨成材機理相似，因此兩者具有相似的微觀結構，石墨晶體小，各向同性的結構使得以其制備的負極材料在循環壽命、快速充放電方面具有極為優異的表現，同時原料來源廣泛且價格低廉確保了鋰離子負極材料具有較低的生產成本。另外，無煙煤焦炭密度高于煙煤焦炭，同時兼具石墨化碳與非石墨化碳的性能優勢，處理溫度低于2000℃時其表現出硬碳行為，高于2500℃時候表現出軟碳行為，可通過優化設計高溫石墨化工藝實現對石墨化無煙煤石墨化度和結構的控制，使得到的材料保持有較大的石墨層間距結構和硬碳性能，不僅可以大幅提高鋰離子負極材料的嵌鋰空間，增加電極可逆比容量，還能夠拓展鋰離子在石墨層中的擴散通道，改善鋰離子負極材料的高倍率充放電性能、循環穩定性以及低溫電化學性能。因此以無煙煤為基材的高性能鋰離子負極材料研究開發，可有望解決動力鋰離子電池在能量密度、充放電速率、生產成本方面的瓶頸問題。

現有技術關于以無煙煤為基材的鋰離子電池負極材料的研究，主要通過純化結合高溫改性的方式來制備。中國專利公開號106099105A中公開了一種球形多孔人造石墨負極材料，將無煙煤球磨、除雜、分散、包覆、高溫熱處理后，制備得到純度99.9％以上的多孔球形人造石墨負極材料，雖然材料0.5C可逆容量可達到390mAh/g，但在除雜過程中使用酸洗純化易對環境造成污染，不利于產業化。中國專利公開號104681786A中公開了一種煤基負極材料、制備方法及鋰離子電池，煤基材料純化采用在石墨化過程中通入提純氣體反應，存在設備易腐蝕和提純不均勻的問題，同時該方法所制備得到的材料可逆容量在 350mAh/g左右，難以滿足動力鋰離子電池對能量密度的高需求。

發明內容

本發明的目的是提供一種動力鋰離子電池用煤基復合負極材料及其制備方法，要解決的技術問題是降低生產成本，保護環境，適合大規模產業化生產。