[發明專利]一種催化石墨材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202310076767.1
• 申請日: 2023-02-08
• 公開（公告）號: CN115799499B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 蔣朝;陸云飛;王彪;丁樂;龐文文;劉東任;李輝
• 申請（專利權）人: 溧陽紫宸新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M10/0525;C01B32/205
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 劉二艷

本發明提供了一種催化石墨材料及其制備方法與應用，所述催化石墨材料包括片狀石墨和中空球狀石墨顆粒，所述催化石墨材料具備3R相；所述催化石墨材料純度高、石墨化程度高且具備3R相，3R相的存在為鋰離子提供了更多嵌入位點，該催化石墨材料應用于鋰離子電池負極材料時表現出高容量、高首效和低膨脹的特點，從而顯著提升了鋰離子電池的容量和首效等電化學性能。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，涉及一種催化石墨材料及其制備方法與應用。

背景技術

負極材料是鋰離子電池的核心材料，而石墨負極材料是當前主流的負極材料，也是產銷量最大的負極材料。目前，對高性能負極材料的制備技術，以及低能耗和低成本制備工藝提出了更高的要求。生物質具有原材料來源廣泛、生態安全和無污染等顯著特點。把生物質轉變為石墨負極材料，這種碳匯方式不但可以實現碳封存，還可以減少對煤和石油等化石燃料的依賴，以生物質來制備儲能用石墨負極材料具有顯著的經濟、生態和社會效益。

如公告號為CN?107406259A的發明專利公開了一種由生物質生產石墨的方法，該方法是通過將生物質與過渡金屬鹽催化劑在高溫高壓反應釜中進行水熱反應，將催化劑分散，從而獲得負載了催化劑的水熱碳，隨后過濾和干燥，然后采用電磁輻射發生器對水熱碳進行石墨化，最后進行酸洗除雜、水洗和干燥獲得產品；但是，高溫高壓獲得水熱碳以及特殊的石墨化裝置限制了該產品的大量且低成本的生產。

公告號為CN?102502598A的發明專利公開了一種木粉催化石墨化的方法，該方法采用納米金屬或金屬氧化物為催化劑，將催化劑與木粉混合均勻后，在900-1600℃下熱處理獲得催化石墨材料，其公開的方法未先對木粉進行預處理，導致熱處理碳化設備的空間利用率非常有限，致使生產效率低，從而導致綜合能耗高，另外因合成的催化石墨中含有大量催化劑未去除，會導致催化石墨材料中含有大量磁性物質，進而不能在鋰離子電池中進行使用。

公告號為CN?109301225A的發明專利公開了一種具有石墨化度、孔徑雙梯度結構的石墨負極材料及其制備和應用，所述方法需先獲得以無煙煤、生物炭、石油焦、瀝青炭為碳源的多孔碳材料，其碳材料比表面積為100-2000m²/g，將多孔碳材料浸入包含不溶于水或易溶于水的金屬鹽、納米金屬、溶于水的非金屬鹽的催化劑溶液中，在密閉容器中抽真空，隨后經干燥，將催化劑擔載至多孔碳材料的孔隙中，隨后進行兩段式電煅，此過程中加入的主要成分為瀝青與樹脂的無定型碳源，最終形成徑向梯度結構；其公開的方法涉及活化造孔獲得多孔碳材料的過程，會造成大量碳元素的損失，不僅提升了制備成本，而且也降低最終成品石墨材料的收率。

可見，現有技術中公開的催化石墨材料應用于鋰離子電池中的性能有待提升，且純度不高，如生物質或煤基原料中所含硅雜質，常以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在，經催化反應后，仍然保留，若不進行去除，其質量占比將影響催化石墨整體克容量，從而降低鋰離子電池的容量；并且，現有技術主要關注點在于催化石墨的轉化率和石墨化程度等，未重點關注或忽視了鋰離子電池負極材料高性能化所需的石墨結構，因此，未依據鋰離子電池負極材料應用時所需的低膨脹、高容量和高首效石墨結構特征對催化合成的關鍵工藝進行優化；同時，催化石墨的制備過程中，催化劑負載前需要將碳材料先進行活化處理成為多孔碳材料以便浸漬催化劑溶液，因活化工序會造成大量碳源的損失，不僅有活化工序的成本，而且也降低最終成品石墨材料的收率，從而導致生產成本高；此外，現有技術對生物質的處理涉及高溫高壓水熱反應，且催化轉化采用電磁輻射發生器進行加熱方式，這些限制了產品的大量且低成本生產。

基于以上研究，需要提供一種催化石墨材料，所述催化石墨材料應用于鋰離子電池負極材料時表現出高容量、高首效和低膨脹的優勢。

發明內容

本發明的目的在于提供一種催化石墨材料及其制備方法與應用，所述催化石墨材料純度高、石墨化程度高且具備3R相，該催化石墨材料應用于鋰離子電池負極材料時表現出高容量、高首效和低膨脹的特點，從而顯著提升了鋰離子電池的容量和首效等電化學性能。