专利名称：一种异取向球形天然石墨负极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一类锂二次电池异取向球形天然石墨负极材料及其制备技术，属于电化学电源技术领域。
背景技术：
锂离子电池的发展在很大程度上取决于高性能正、负极材料的开发和应用。目前， 实用中的锂离子电池主要采用人造石墨(如中间相碳微球MCMB和CMS)为负极材料和过 渡金属氧化物(如LiCoO2)为正极材料，这些材料的制备成本都很高。就LiCoO2来说，由 于过渡金属储量有限，且钴具有一定毒性使其应用范围正逐渐萎缩，成本较低的磷酸铁锂 (LiFePO4)正极材料日益受到各电池厂商的青睐，改性LiFePO4作为动力电池正极材料具有 广阔的市场前景；而就人造石墨负极材料来说，其可逆容量维持在330mAh/g(石墨理论容 量为372mAh/g)，高倍率循环时容量衰减明显加剧，且人造石墨制备过程中需要在2000°C 以上的高温下实现石墨化，能耗巨大，原材料(浙青类芳烃化合物)价格波动大，高倍率循 环性能不理想。近十年来，电化学可逆嵌/脱锂负极材料的研究十分活跃，除了人造石墨负 极材料之外，许多研究瞄准了具有高比容量的储锂金属和金属氧化物(如Sn，SiAg, CoO), 锂过渡金属氮化物和磷化物等材料。由于锂合金在锂嵌/脱过程中的体积变化效应巨大， 储锂金属母体易发生破裂和粉化，从而丧失与集流体的电接触，造成循环容量的迅速下降。 近年来，以硅为储锂母体的研究也引起了国内外的高度重视，成为负极材料研究的新热点。 单质硅具有理论嵌锂容量高(4200mAh/g)，嵌/脱锂电位理想，与电解液反应活性低以及在 地壳中储量丰富等优点，但也存在体积效应严重和导电性差等问题，使得纯硅电极容量快 速衰减。采用热蒸发分解(TVD)、聚合物裂解炭化及有机物浓硫酸脱水炭化等工艺制备的 硅/碳复合材料能显著改善电极的机械性能和充放电可逆性，而且复合材料的放电倍率特 性明显优于CMS。碳材料微弱的体积效应和良好的电子导电性缓解了复合材料的体积变化 并使硅保持良好电接触，这是电极性能得到改善的重要原因；但这些材料的循环寿命或制 备工艺离实际应用仍有较大距离；除此之外，改性天然石墨负极材料由于具有嵌/脱锂循 环稳定性好、可逆容量高(> 350mAh/g)及制备成本低等优点，已部分占领了锂离子电池负 极材料市场。现有天然石墨负极材料大多是通过气流磨工艺将石墨墨片棱角去除后形成的 球形或土豆形颗粒，颗粒内层片取向高度一致。在锂离子深度嵌入石墨层间或发生快速嵌/ 脱时会因应力集中或应力快速卸载而引起石墨层片剥落，进而加速容量衰减，因此，这种结 构的球形天然石墨不适合作为动力锂离子电池负极材料使用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，通 过本方法得到的是取向不同的石墨鳞片微球，不仅可以避免直接以石墨鳞片制备电极过程 中因鳞片“横卧”而带来的锂离子扩散受阻问题，也可以有效分散深度嵌锂积累的应力，从 而抑制因石墨层片剥落引起的容量衰减现象，同时，鳞片间因粘结剂炭化形成的缝隙也有利于电解液渗入，促进电化学动力学过程。本发明的目的是这样实现的一种异取向球形天然石墨负极材料，所述的石墨负 极材料由多个粘结在一起的取向不同的层状石墨鳞片构成。一种异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，将天然鳞片石墨微粉与分散介质 混合，添加反絮凝剂将固含量以质量分比百计调节到30 50%之间，再将物料与粘结剂一 起置于混浆机中搅拌，得到的浆料在喷雾干燥机上进行雾化、干燥和造粒得到粉体物料，将 得到的粉体物料再置于回转炉中进行氮气气氛热处理，经过处理后的粉体冷却后即为异取 向球形天然石墨负极材料。所述的分散介质是水或酒精。当分散介质为水时采用聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)或二者混合物作为 粘结剂。当分散介质为酒精时采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂。所述的粘接剂的加入量为天然鳞片石墨微粉重量的2_10%。所述的氮气气氛热处理是控制温度为600 1000°C，处理时间2 5小时，回转炉 转速3 5转/分钟。天然鳞片石墨微粉纯度彡99%。通过本发明制备的异取向球形天然石墨负极材料与现有的石墨负极材料相比，具 有以下几个显著特点(1)材料比容量高、循环稳定性好；(2)取向不同的石墨墨片构成的 微球可有效抑制因深度嵌锂引起的层片剥落；(3)可同时实现墨片粘结和碳包覆；(4)运用 动态烧结可避免粉体结块，利于得到粒度均勻的球形天然石墨微粉；(5)合成工艺简单，易 于操作；(6)材料制备成本低。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是所采用的天然石墨鳞片石墨微粉的扫描电镜照片，可以看出该石墨片层较 薄，不适合通过气流磨工艺实现颗粒自身球形化，最大颗粒不超过10 μ m,且粒径分布不均 勻。图2异取向球形天然石墨微粉的扫描电镜照片，异取向球形天然石墨微粉的扫描 电镜照片，从中可以看出，大量取向不同的墨片粘结在一起形成了粒径小于50μπι的球形 颗粒。图3是以天然石墨鳞片石墨微粉为负极活性物质制备电极、组装电池的电压曲 线。图4是以异取向球形天然石墨材料为负极活性物质制备电极、组装电池的电压曲线。从图3和图4中可以看出，天然石墨鳞片石墨微粉首次嵌锂容量为346. 6mAh/g,首 次循环效率为88. 1%，可逆容量稳定在332. 8mAh/g左右；球形天然石墨材料首次嵌锂容量 为400. 2mAh/g,脱锂容量348. 8mAh/g,首次循环效率87. 1%，容量提高说明石墨球形化后 锂离子嵌入深度有所增加，且层片剥落也得到了有效抑制。图5是以异取向球形天然石墨材料为活性物质制备工作电极，以金属锂为对电极组装电池的循环性能曲线。经历50次循环后，材料仍能稳定地释放出近350mAh/g的可逆
容量。图6是异取向球形天然石墨颗粒示意图，图中1为石墨鳞片，2为无定形碳。
具体实施例方式本发明是借助于喷雾造粒工艺将取向不同的鳞片石墨粘结起来形成微球，并通过 动态烧结将粘结剂炭化后形成粒径在20 50 μ m之间的球形颗粒。其原理是将石墨浆料 雾化后瞬间干燥使雾滴收缩成微球，再将得到的粉体在氮气气氛保护下置于回转炉中进行 烧结，最终借助于粘结剂炭化生成的无定形碳将石墨鳞片粘结起来形成异取向球形天然石 墨负极材料。取向不同的石墨鳞片微球不仅可以避免直接以石墨鳞片制备电极过程中因鳞 片“横卧”而带来的锂离子扩散受阻问题，也可以有效分散深度嵌锂积累的应力，从而抑制 因石墨层片剥落引起的容量衰减现象，同时，鳞片间因粘结剂炭化形成的缝隙也有利于电 解液渗入，促进电化学动力学过程。本发明所涉及的石墨负极材料由多个粘结在一起的取向不同的层状的石墨鳞片1 构成，在石墨鳞片1之间分布有无定形碳2。本发明提供的石墨负极材料所采用的合成原料为天然鳞片石墨微粉、粘结剂、反 絮凝剂，如A15等，和消泡剂如正辛醇等。其中，以水为分散介质时采用聚乙烯醇(PVA)、 羧甲基纤维素(CMC)或二者混合作为粘结剂，以酒精为分散介质时采用聚乙烯醇缩丁醛 (PVB)为粘结剂。本发明制备异取向球形天然石墨负极材料所需天然鳞片石墨微粉纯度 彡99%，所需粘结剂的添加量在2%与10%之间。天然鳞片石墨微粉纯度小于99%则得到 的球形天然石墨材料电极首次循环效率偏低，粘结剂添加量不足2%则喷雾造粒时雾化成 球效果不好，粘结剂添加量超过10%则会因引入过多无定形碳而导致球形天然石墨材料可 逆容量显著下降。材料制备过程中，先将天然鳞片石墨微粉与分散介质(水或酒精)混合， 通过添加反絮凝剂将固含量调节到30 50%之间，再将其与粘结剂、消泡剂一起置于混浆 机中搅拌2 5小时。得到的浆料在喷雾干燥机上进行雾化、干燥和造粒，得到的粉体物料 再置于回转炉中进行氮气气氛热处理，控制温度600 1000°C，2 5小时，转速3 5转 /分钟，冷却后用于制备电极。下面通过实施例和比较例的描述，进一步阐述本发明的实质性特点和优势。为描 述方便，首先对比较例加以叙述，然后再描述实施例1 4，以与之比较，显示出本发明的效^ ο比较例1.将天然石墨鳞片石墨微粉与聚偏氟乙烯(PVdF)按9 1的质量比在 N-甲基吡咯烷酮(NMP)介质中制成浆料，涂布于铜箔上，经过干燥、冲膜和压膜制成工作电 极。以金属锂箔为对电极，聚丙烯膜(Celgard 2325)为隔膜，lMLiPF6/(PC+DMC) (1 1)为 电解液进行恒流充放电测试，电流密度为0. 15mA/cm2,电压范围在0-1. 5V之间。首次嵌锂 容量为346. 6mAh/g，脱锂容量为305. 3mAh/g，库仑效率为88. ；第50次循环嵌锂容量为 341. 6mAh/g，脱锂容量为340. 7mAh/g。可逆容量与石墨理论容量间的差异说明直接以鳞片 石墨微粉为活性物质制备电极时会因墨片“横卧”使得锂离子在正、负极间扩散方向与墨片 垂直，进而阻碍锂离子发生深度嵌/脱反应。实施例1.将天然鳞片石墨微粉，纯度> 99%，与去离子水混合，加入反絮凝剂调节固含量至以质量百分比计30 50%，再加入天然鳞片石墨微粉重量5%的PVA和CMC的 混合物作为粘结剂，加少量消泡剂后在混浆机中搅拌2 5小时。得到的浆料在喷雾干燥 机上进行雾化、干燥和造粒，所得粉体置于回转炉中进行氮气气氛热处理，控制温度600 1000°C，2 5小时，转速3 5转/分钟，所得粉体物料即为异取向球形天然石墨负极材料。 将得到的异取向球形天然石墨负极材料用以制备电极进行电化学测试。电极制备方法、电 池组装及测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为400. 2mAh/g，脱锂容量为348. SmAh/ g，库仑效率为87. 1%。第50次循环嵌锂容量为351. 9mAh/g，脱锂容量为351mAh/g。虽然 首次循环库仑效率因无定形碳引入而略有下降，但材料的可逆容量较比较例1中材料电极 有显著提高。实施例2.将天然鳞片石墨微粉，纯度> 99%，与去离子水混合，加入反絮凝剂调 节固含量至以质量百分比计30 50%，再加入天然鳞片石墨微粉重量10%的PVA和CMC 的混合物作为粘结剂再加入粘结剂和少量消泡剂后在混浆机机中搅拌2 5小时。得到的 浆料在喷雾干燥机上进行雾化、干燥和造粒，所得粉体置于回转炉中进行氮气气氛热处理， 温度600 1000°C，2 5小时，回转炉转速3 5转/分钟，所得粉体物料即为异取向球 形天然石墨负极材料。将得到的异取向球形天然石墨负极材料用以制备电极进行电化学测 试。电极制备方法、电池组装及测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为410. 2mAh/g， 脱锂容量为340. ImAh/g,库仑效率为82. 9 %。第50次循环嵌锂容量为342. 6mAh/g,脱锂容 量为341. 9mAh/g。提高粘结剂含量后材料首次嵌锂容量较实施例1有所提高，但脱锂容量 却比实施例1低，说明加大无定形碳含量对提高材料可逆容量不利。实施例3.将天然鳞片石墨微粉，纯度> 99%，与无水酒精混合加入反絮凝剂调节 固含量至以质量百分比计30 50 %，再加入天然鳞片石墨微粉质量5 %的聚乙烯醇缩丁醛 PVB作为粘结剂，在混浆机中搅拌2 5小时。得到的浆料在喷雾干燥机上进行雾化、干燥 和造粒，所得粉体置于回转炉中进行氮气气氛热处理，控制温度600 1000°C，2 5小时， 转速3 5转/分钟，所得粉体物料即为异取向球形天然石墨负极材料。将得到的异取向 球形天然石墨负极材料用以制备电极进行电化学测试。电极制备方法、电池组装及测试条 件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为410. 6mAh/g，脱锂容量为342. 9mAh/g，库仑效率为 83. 5%。第50次循环嵌锂容量为341. 6mAh/g，脱锂容量为340. 8mAh/g。在酒精介质中采用 和实施例1中相同含量的PVB粘结剂时材料可逆容量和首次循环库仑效率较实施例1均有 所下降，其可逆容量与实施例2中材料大致相当，说明要达到相同粘结效果酒精介质中粘 结剂聚乙烯醇缩丁醛PVB使用量远小于水介质中粘结剂，聚乙烯醇PVA、羧甲基纤维素CMC 的使用量。实施例4.将天然鳞片石墨微粉，纯度> 99%，与无水酒精混合加入反絮凝剂调节 固含量至以质量百分比计30 50 %，再加入天然鳞片石墨微粉质量5 %的聚乙烯醇缩丁醛 PVB作为粘结剂，混合后在混浆机中搅拌2 5小时。得到的浆料在喷雾干燥机上进行雾 化、干燥和造粒，所得粉体置于回转炉中进行氮气气氛热处理，控制温度600 1000°C，2 5小时，转速3 5转/分钟 ，所得粉体物料即为异取向球形天然石墨负极材料。将得到的 异取向球形天然石墨负极材料用以制备电极进行电化学测试。电极制备方法、电池组装及 测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为412. 5mAh/g，脱锂容量为332. 7mAh/g，库仑效 率为80. 7%。第50次循环嵌锂容量为331. 6mAh/g，脱锂容量为330. 2mAh/g。提高PVB添加量后材料首次嵌锂容量较实施例3有所提高，但首次循环库仑效率较实施例1显著下降，说明在酒精介质中造粒时加大粘结剂含量也会影响材料可逆容量。
权利要求
一种异取向球形天然石墨负极材料，其特征在于所述的石墨负极材料由多个粘结在一起的取向不同的层状石墨鳞片构成。
2.制备权利要求1所述的异取向球形天然石墨负极材料的方法，其特征在于将天然 鳞片石墨微粉与分散介质混合，添加反絮凝剂将固含量以质量分比百计调节到30 50% 之间，再将物料与粘结剂一起置于混浆机中搅拌，得到的浆料在喷雾干燥机上进行雾化、干 燥和造粒得到粉体物料，将得到的粉体物料再置于回转炉中进行氮气气氛热处理，经过处 理后的粉体冷却后即为异取向球形天然石墨负极材料。
3.根据权利要求2所述的异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于所 述的分散介质是水或酒精。
4.根据权利要求2或3所述的异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于 当分散介质为水时采用聚乙烯醇(PVA)或羧甲基纤维素(CMC)或二者混合物作为粘结剂。
5.根据权利要求2或3所述的异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于 当分散介质为酒精时采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂。
6.根据权利要求2所述的异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于所 述的粘接剂的加入量为天然鳞片石墨微粉重量的2-10%。
7.根据权利要求2所述的异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于所 述的氮气气氛热处理是控制温度为600 1000°C，处理时间2 5小时，回转炉转速3 5 转/分钟。
8.根据权利要求2所述的异取向球形天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于天 然鳞片石墨微粉纯度彡99%。
全文摘要
一种异取向球形天然石墨负极材料及其制备方法，将天然鳞片石墨微粉与分散介质混合，添加反絮凝剂调节固含量，再将物料与粘结剂置于混浆机中搅拌，浆料在喷雾干燥机上进行雾化、干燥和造粒得到粉体物料，粉体物料通过转炉行氮气气氛热处理，得到的粉体冷却后即为异取向球形天然石墨负极材料。石墨负极材料由多个粘结在一起的取向不同的层状石墨鳞片构成。通过本发明制备的石墨负极材料具有以下几个显著特点材料比容量高、循环稳定性好；取向不同的石墨墨片构成的微球可有效抑制因深度嵌锂引起的层片剥落；可同时实现墨片粘结和碳包覆；运用动态烧结可避免粉体结块，有利于得到粒度均匀的球形天然石墨微粉。
文档编号H01M4/133GK101800304SQ201010170998
公开日2010年8月11日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者张露露, 张鹏昌, 李云峰, 杨学林 申请人:三峡大学;中科恒达石墨股份有限公司