[發明專利]一種氮摻雜碳包覆混合石墨復合材料及其制備方法和在鋰離子電池中的應用

在審

• 申請號: 201811476714.4
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109449428A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 張治安;胡均賢;王大鵬;賴延清;張凱;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/182
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發明公開了一種氮摻雜碳包覆混合石墨復合材料及其制備方法和在鋰離子電池中的應用。該復合材料具有核殼結構，內核為鱗片石墨和微晶石墨混合石墨，外殼為氮摻雜碳層。其制備方法為：將瀝青與鱗片石墨和微晶石墨通過濕法球磨處理后，干燥，得到瀝青包覆混合石墨；瀝青包覆混合石墨與氮源混合均勻后，置于含氮氣體氣氛下進行熱處理，即得具有豐富活性位點和良好結構穩定性的氮摻雜碳包覆混合石墨復合材料，將其作為鋰離子電池負極材料表現出優異的電化學性能，不但具有高可逆比容量，還表現出更好的循環穩定性。該方法采用部分微晶石墨替代鱗片石墨為原料，原料成本降低，經濟效益高，適合工業化應用。

技術領域

本發明涉及一種碳復合材料，具體涉及一種低石墨化的高氮摻雜碳包覆高石墨化的混合石墨的復合材料及其制備方法和作為鋰離子碳負極材料的應用，屬于二次電池領域。

背景技術

石墨為一種層狀結構的材料，其碳原子呈六角形排列，其層間距為0.335nm。石墨具有良好的耐高溫性、導電導熱性、潤滑性和可塑性，被廣泛的應用于各個領域。然而，隨著我國經濟和科技的快速發展，我國石墨制品的消耗保持快速增長，導致天然鱗片石墨資源越來越少。

微晶石墨是由許多隨機取向的微小晶體聚集而成，化學性質穩定，不受強酸堿影響，具有一系列的優點，如耐高溫、傳熱、導電、潤滑及可塑性等；應用領域十分廣泛，主要用于鑄造、碳素制品、鉛筆、顏料、耐火材料、冶煉、增碳劑、鑄造保護渣、涂抹和電池負極材料等領域。湖南省郴州市魯塘礦區擁有非常豐富的混合石墨儲量，且固定碳的含量很高，因此混合石墨在鋰離子中的應用具有非常廣闊的前景。

微晶石墨在電池領域中的應用主要是作為鋰離子電池負極材料使用。微晶石墨作為鋰離子電池負極材料具有成本低廉、導電性好，理論嵌鋰容量高、充放電電位低等優勢，但存在首次充放電效率低、循環性能性能差、振實密度低等缺點，嚴重抑制了微晶石墨作為鋰離子電池負極的應用，對微晶石墨進行改性處理以應用到鋰離子電池中是實現微晶石墨高效利用的有效途徑之一。目前對于微晶石墨常用的改性手段是在微晶石墨表面包覆一層硬碳，從而提高微晶石墨的球形度和緩解體積膨脹的問題，以達到提高微晶石墨的振實密度和循環穩定性的目的。但是表面包覆碳層具有導電性差，活性位點低等缺點，對于微晶石墨的比容量和倍率性能不利。

發明內容

針對現有天然微晶石墨用于二次電池負極材料存在的問題，本發明的目的是在于提供一種由一層低石墨化程度的高氮摻雜碳包覆在高石墨化鱗片石墨和微晶石墨混合石墨上構成的復合材料，該復合材料同時具備高活性位點、優良導電性、結構穩定和高振實密度等優點，可以應用于鋰離子電池負極材料。

本發明的另一個目的是在于提供一種工藝簡單、重復性好、成本低廉、環境友好、適合大規模生產的制備上述氮摻雜碳包覆混合石墨的方法。

本發明的第三個目的是在于提供一種氮摻雜碳包覆混合石墨復合材料的應用，其高活性位點、優良導電性和結構穩定性，作為鋰離子電池負極材料應用，制備的鋰離子電池表現出高的比容量、良好倍率性能和長循環穩定性能。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種氮摻雜碳包覆混合石墨復合材料，其具有核殼結構，內核為鱗片石墨和微晶石墨混合石墨，外殼為氮摻雜碳層。