[發明專利]一種鋰離子電池用高倍率天然石墨基復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110267581.5
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113113572B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 趙娟
• 申請（專利權）人: 廣東海洋大學
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393;H01M4/04;H01M4/133;H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 謝蓉;謝怡婷

本發明提供一種鋰離子電池用高倍率天然石墨基復合材料及其制備方法與應用，本發明采用與石墨相容性好的瀝青代替樹脂炭，通過低溫預氧化過程中在瀝青引入氧基官能團，誘發瀝青結構的相互交聯，然后采用等靜壓技術將預氧化處理的瀝青壓入微擴層球形石墨內表面和外表面的缺陷中并同步包覆，高溫炭化過程中預氧化處理的瀝青不容易形成有序結構，從而轉化成硬碳，得到的復合材料包括微擴層球形石墨及包覆在微擴層球形石墨內表面和外表面的硬碳。通過上述包覆，可以實現對微擴層球形石墨內外表面缺陷位點的同步改性整合，從而提高天然石墨的循環性能和倍率性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池碳負極材料技術領域，具體涉及一種鋰離子電池用高倍率天然石墨基復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

鋰離子電池因其工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電小、無記憶效應等優點，成為上世紀九十年代以來繼鎳氫電池之后的新一代二次電池。近年來，隨著電子產品及車載與儲能設備對小型化、輕量化及多功能、長時間驅動化的要求不斷提高，對鋰離子電池高能量密度化、高倍率性能要求不斷提升。目前商品化鋰離子電池的負極材料仍然是石墨類材料占主導地位，其中天然石墨因其高的充放電容量、良好的充放電平臺、來源廣泛、成本低而得到廣泛應用。但是天然石墨材料的理論層間距較小(d₀₀₂約0.3354nm)，無法滿足大倍率電流的充電，尤其是在高面密度的負極設計條件下，容易出現“析鋰”現象，嚴重影響電池的容量性能和安全性能。

提高天然石墨負極材料倍率性能的途徑主要是采用物理或者化學手段將天然石墨進行輕微擴層，使其層間距增大(d₀₀₂約0.3386nm-0.3393nm)。這種改性處理可以提高鋰離子在石墨層間的擴散速率，具有良好的倍率性能。但是，在微微擴層過程中會在球形石墨表面形成一些微缺陷(微裂紋或者凹槽)，導致球形石墨比表面增加，振實密度降低，循環性能降低。

硬碳具有各向同性，層間距較石墨大，在充電過程中鋰離子擴散速度快，具有良好的倍率性能。現有技術在微擴層球形石墨表面包覆樹脂炭并炭化處理，在微擴層球形石墨表面形成硬碳包覆層。但是，樹脂炭與石墨的親和性差，制備過程中要使用有機溶劑，工藝復雜，而且充放電過程中容易造成硬碳包覆層的脫落，另外，硬碳比表面積大，材料的首次充放電效率低。

發明內容

為了改善現有技術的不足，本發明提供一種鋰離子電池用高倍率天然石墨基復合材料及其制備方法與應用，本發明制備得到的天然石墨基復合材料適用于高倍率體系(如3C倍率)，使其可以在更大電流下進行更快速的充電。

本發明采用以下技術方案：

一種高倍率天然石墨基復合材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將球形石墨和瀝青混合，得到混合料；

(2)將步驟(1)得到的混合料在300-380℃混捏，然后冷卻，得到混捏料；

(3)對步驟(2)得到的混捏料進行壓型，得到石墨塊體；

(4)將步驟(3)壓型的石墨塊體打散；

(5)將步驟(4)打散后的物料在惰性氣氛下進行炭化，制備得到所述高倍率天然石墨基復合材料。

根據本發明，步驟(1)中，所述球形石墨的D₅₀粒徑為5-25μm。

根據本發明，步驟(1)中，所述球形石墨為經過擴層處理后的球形石墨，所述擴層處理后的球形石墨的d₀₀₂為0.3386nm-0.3393nm。

根據本發明，步驟(1)中，所述瀝青的軟化點為180-280℃，所述瀝青的D₅₀粒徑為1-3μm。

根據本發明，步驟(1)中，所述瀝青與球形石墨質量比為(5-12):100。