[發(fā)明專利]包覆劑、包覆改性的石墨負極材料及其制備方法和應用、鋰離子電池

有效

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• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112768691B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設計）人: 潘福森;聶順軍;韓家安;李虹;王旭峰;孫寶利
• 申請（專利權）人: 寧波杉杉新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/36;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 王衛(wèi)彬;鄒玲

本發(fā)明公開了一種包覆劑、包覆改性的石墨負極材料及其制備方法和應用、鋰離子電池，該包覆劑包括溶質、溶劑和助劑，溶質為煤瀝青、石油瀝青、石油樹脂中的一種或多種；助劑包括交聯(lián)劑。該包覆改性的的石墨負極材料的制備方法，包括如下步驟：S1、將石墨骨料與所述包覆劑混合，得混料A；S2、對所述混料A進行熱處理，得混料B；S3、將混料B經碳化處理，即可。本發(fā)明制備的石墨負極材料的石墨骨料結構保持良好；其具有優(yōu)異的鋰離子快速嵌入、脫出能力和優(yōu)異的循環(huán)能力。本發(fā)明的制備方法簡單可行，具備可規(guī)模生產、成本低、綠色環(huán)保、使用方便等優(yōu)勢。

技術領域

本發(fā)明涉及一種包覆劑、包覆改性的石墨負極材料及其制備方法和應用、鋰離子電池。

背景技術

與其他二次電池相比，鋰離子電池不僅能量密度高、工作電壓高、循環(huán)壽命長，而且還具有安全性能好、環(huán)保無污染等獨特的優(yōu)勢。因此，鋰電池廣泛應用于各式各樣的微電子便攜設備、交通工具和航空航天等設備。隨著技術的發(fā)展，對電化學儲能裝置提出了更高的快速充電的要求。

作為四大主要材料之一的負極材料對鋰電池的快速充電能力起著至關重要的作用，因此負極材料是提升鋰離子電池快速充電能力的主要突破口之一。目前商業(yè)使用的鋰離子電池負極材料主要是人造石墨和少量的天然石墨。由于石墨材料經過充分的結晶過程，因此其晶面完善，結晶度高，缺陷較少，導電率較高，電化學行為表現(xiàn)為穩(wěn)定且嵌鋰脫鋰平臺較低。正是石墨的完善結晶結構，導致鋰離子在石墨晶體內擴散時，只能在石墨片層間進行二維擴散，難以逾越石墨烯片層的障礙。石墨晶體的典型石墨烯片層間距為0.336nm，而鋰原子的直徑已經接近于這個尺寸，因此鋰原子在石墨片層的擴散速率較小，宏觀的電化學表現(xiàn)為：快速充電時，鋰離子嵌入石墨的速度較慢、電化學極化增大、容量迅速降低。未經改性的石墨，2C充電容量已經降低到10％以下，更加難以滿足當前主流的3C充電速率要求。

目前，解決石墨負極材料的鋰離子快速嵌入能力不足問題的主要方法有以下兩種：降低石墨負極材料的顆粒粒徑和對石墨負極材料進行表面改性。對于第一種方法，當前主流的石墨負極材料粒徑為5～30μm，進一步降低石墨顆粒的大小使得石墨負極電極片的加工愈發(fā)困難，并且使得組裝好的電池性能劣化較快，難以滿足實際需求。對于第二種方法，對石墨表面進行改性不僅可以改善石墨顆粒對電解液的潤濕性能、兼容性能，還能改善鋰離子在石墨表面的擴散路徑，提高鋰離子的擴散速率并提升負極材料的結構穩(wěn)定性。在不劣化加工性能的前提下，極大的提高了石墨負極在鋰離子電池中的電化學性能和循環(huán)壽命。

傳統(tǒng)的鋰電池石墨負極材料表面改性一般采用瀝青作為包覆劑，經過混料、熔融包覆、碳化達到在石墨顆粒表面包覆一層軟碳的目的。比如中國專利CN201811231901.6公開了一種瀝青包覆球形天然石墨負極材料的制備方法，具體步驟為：將高軟化點瀝青與球形天然石墨加入到VC混合機內，充分混合40～50min，然后將混合好的物料取出裝入石墨坩堝，送入窯內升溫至1040～1060℃并保溫3～4h，樣品炭化完畢后取出樣品，使用機械打散并將樣品過200目篩進行篩分。該球形石墨瀝青包覆工藝簡單，但是該工藝制備的石墨材料中鋰離子嵌入速率不高，不能滿足鋰電池的大電流快速充電要求。

硬炭類材料與石墨類材料雖然都是由碳元素構成，但是其晶型結構完全不同。硬炭類材料具有微小且不完善的石墨微晶結構，平均晶面間距大于石墨的晶面間距(0.336nm)，因此，鋰離子可以快速地在硬炭材料中進行近似于各向同性的擴散，宏觀表現(xiàn)為大電流充電和嵌鋰容量高。中國專利CN201110360282.2提供了一種核殼結構的鋰電池硬炭微球負極材料及其制備方法，所述的核殼結構的鋰電池硬炭微球負極材料由淀粉以及表面的石墨化層制成。該材料表面經過催化石墨化處理形成了石墨化層，而內部保持了硬炭結構，通過制備淀粉基硬炭微球、催化石墨化處理得到產品。該發(fā)明制備核殼結構的鋰電池硬炭微球負極材料的工藝復雜，控制點較多，不利于工業(yè)化生產和作為鋰電池負極材料使用。

發(fā)明內容