[發(fā)明專利]一種天然石墨負極材料及其應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011309408.9
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112421043A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊越;孫偉;宋紹樂
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/587;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種天然石墨負極材料的及其應(yīng)用。本發(fā)明提供的天然石墨負極材料，通過下述步驟制備：以含硅的天然石墨為原料，經(jīng)酸洗處理，除去石墨原料中除硅以外的其它金屬，先進行碳包覆或硅碳包覆后，再經(jīng)石墨化焙燒。本發(fā)明原料來源廣泛，生產(chǎn)成本低、所得產(chǎn)品性能優(yōu)良，便于大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種天然石墨負極材料及其應(yīng)用，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

理論儲鋰容量為372mAh·g-1的石墨材料是目前商業(yè)化生產(chǎn)中最主要的鋰離子電池負極材料，但是隨著國家對鋰電池性能要求的不斷提高，石墨材料儲鋰容量低限制了鋰離子電池向更高能量密度和更高倍率性能的發(fā)展，所以急要開發(fā)新型負極材料來滿足電池需求。在眾多的鋰離子電池負極材料中，Si負極材料作為理離子電池的下一代負極材料具有以下優(yōu)點：

(1)在完全嵌理成為Li₂₂Si₅的情況下，其質(zhì)量比容量高達4200mAh·g-1，這與目前廣泛使用的石墨類負極材料相比，超出了十倍有余，用作電池負極可大幅提升電池的能量密度；

(2)硅具有相對較低的脫鋰平臺電壓(約0.4Vv.s.Li/Li+)，這使得其在搭配正極放電時，電池可以具有更高的工作電壓，從而提升電池的能量密度；

硅材料雖然具有質(zhì)量比容量高、平臺電壓低等優(yōu)點，但是直接作為負極材料會產(chǎn)生較大體積膨脹，從而降低電池的循環(huán)壽命，甚至產(chǎn)生安全問題。基于此，目前很多研究者開始嘗試開發(fā)硅碳復(fù)合材料，并取得了一定的進展。

硅與碳材料性質(zhì)相近，二者能緊密結(jié)合，在硅碳復(fù)合體系中，硅顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲鋰容量，碳既能緩沖硅負極的體積變化，還能改善硅質(zhì)材料的導(dǎo)電性。目前，日韓等各大電芯廠商，都開始作硅碳負極電池的商業(yè)化，我國眾多企業(yè)如貝瑞特、國軒高科、比亞迪、杉杉股份等紛紛開始布局。但目前的研究工作中，主要是通過氣相沉積法、高溫固相合成法、機械合金化法等復(fù)雜的方法合成硅碳符合材料，其價格約為400元/kg，相對而言天然石墨和人造石墨價格僅為50元/kg，因此在未來不僅要提高硅碳負極材料的性能，還要設(shè)法降低其成本，才有助于其大規(guī)模推廣。

石墨可分為鱗片石墨和微晶石墨兩大類：鱗片石墨指天然晶質(zhì)石墨，其形似魚鱗狀；微晶石墨曾稱土狀石墨或無定形石墨，指由微小的天然石墨晶體構(gòu)成的致密狀集合體。天然產(chǎn)出的石墨很少是純凈的，常含有10％～20％的雜質(zhì)，包括SiO₂、Al₂O₃、MgO、CaO、P₂O₅、CuO、V₂O₅、H₂O、S、FeO以及H、N、CO₂、CH₄、NH₃等。由于SiO₂石墨常見的伴生脈石礦物，因此在本發(fā)明中，以含硅的天然石墨作為原料，通過提純、造粒、石墨化等手段在保留下SiO₂的同時對石墨改性，之后用作負極材料，探究其電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對當前石墨負極比容量低、硅碳復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜，成本較高的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種天然石墨負極材料的制備及其應(yīng)用，將本發(fā)明所提供的天然石墨負極材料制備方法應(yīng)用于鋰離子電池負極材料，與當前常用的硅碳負極制備方法比較，由于原材料易獲取，工藝流程簡單，操作方便，具有明顯的成本優(yōu)勢，同時與石墨負極材料相比，也可以實現(xiàn)更高的容量。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案。

本發(fā)明一種天然石墨負極材料，所述的天然石墨負極材料以含硅的天然石墨為原材料，經(jīng)過提純、焙燒，得到電化學(xué)性能優(yōu)異的負極材料，所述含硅的天然石墨為鱗片石墨或微晶石墨，所述含硅的天然石墨中硅得質(zhì)量百分含量為1～15％，石墨粒徑為10～25μm。