一种炭包覆石墨负极材料的制备方法与流程

本发明属于石墨负极材料制备
技术领域：
，具体涉及一种炭包覆石墨负极材料的制备方法。
背景技术：
：目前商用锂离子电池所用的负极材料中最广泛的是石墨材料，在石墨负极材料中占大多数的是天然球形石墨。石墨材料的缺点是对电解质敏感、大电流充放电性能差，循环性能不好。在首次充放电过程中，在负极表面会形成一层固体电解质界面，又称sei膜。sei膜的形成是不可逆容量的一重要原因，决定首次效率的高低。锂离子与溶剂会共插到石墨片层中，导致有机溶剂被还原，产生气体将石墨片剥落，因此造成sei膜的不断破坏和重新生成，因此天然石墨的首次效率低，循环性能差。为了提高天然球形石墨负极的循环性能和首次循环效率，通常在天然球形石墨外层包覆无定型炭的方式，外层无定型炭作为球形石墨的骨架，缓冲充放电过程中石墨层的膨胀和收缩，起到防止石墨片层剥离崩塌的作用。现有技术均是采用沥青或酚醛材料物理混合，然后加热炭化，包覆不均匀，很难保证无定型炭均匀的包覆在每一个球形石墨表面，使得球形石墨的电化学性能不稳定，改性效果不佳。目前对石墨负极的无定型炭包覆技术主要有(1)各种气相沉积技术。如化学气相沉积(cvd)法，其裂解颗粒细腻，可有效地充填石墨表面孔隙，产物无须经破碎处理，但其沉积层不牢固，因而循环性能不好；(2)各种有机溶剂分解法；(3)液相混合分散法。前二种方法对设备要求较高，成本高昂，相比之下，方法三实用性更强。周友元等采用液相及动态熔融法使沥青炭均匀包覆于天然石墨的表面，当添加5％沥青经400℃炭化3h、850℃热处理2h的样品，电化学性能最好，可逆容量为362mah/g，不可逆容量为31.7mah/g，首次充放电效率为92.0％，30个循环周期后，容量保持率为96.6％。huangb.y.等在700℃下热解苯酚-甲醛树脂，嵌锂容量可达438mah/g。wangg.p.等采用机械磨粉由天然鳞片石墨得到球形石墨，球形石墨比天然鳞片石墨表现出更好的电化学性能，通过在球形石墨表面包覆一层炭，获得的球-壳结构的改性天然石墨表现出更好的起始库仑效率和更好的循环性能。上述几种包覆方法虽然所用原料不同，但实质都是以石墨类材料作为“核芯”，在其表面包覆一种无定形碳材料的“壳”，能克服石墨类碳材料的缺点，具备复合材料的优点。沥青包覆在反应过程中需要410℃的高温，反应条件苛刻，成本较高，且沥青毒性较大，对环境不友好；酚醛树脂包覆工艺条件相比更适合产业化，但对其包覆的最佳条件需要深入探索，目前主要的包覆方法为浸渍过滤法和蒸发溶剂法，浸渍过滤法是将酚醛树脂溶于乙醇，然后将石墨分散其中，再加入酚醛固化剂，在石墨表面粘附一层树脂层，这种方法很难控制包覆量，包覆完整性和均匀性。蒸发溶剂法是直接将酚醛树脂溶于乙醇，然后将石墨均匀分散其中，加热使溶剂蒸发，使树脂粘附在球形石墨表面，然后加热使酚醛树脂固化，最后在惰性气体下炭化处理，这种方法同样很难控制酚醛完整均匀的包覆在石墨表面，使得石墨负极的循环稳定性不够好，为解决这些问题，亟需开发新的方法以提高包覆的效果，满足实用化要求。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种首次充放电效率高、循环稳定性好的炭包覆石墨负极材料的制备方法。本发明采用了一种新颖的包覆方法，使得每个天然球形石墨外都能均匀包覆无定型炭，无定型炭作为牢固的壳机构包覆在球形石墨外表面，能有效防止在充放电过程中石墨层膨胀导致的崩塌，提高了锂电池的循环稳定性。为了实现以上目的，本发明的炭包覆石墨负极材料的技术方案如下：一种炭包覆石墨负极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将无定型炭源与有机溶剂混合至完全溶解，加入到天然球型石墨中，搅拌形成均匀悬浊液；(2)将步骤(1)无定型炭源和球形石墨的悬浊液滴加入二甲基硅油中，加热搅拌；(3)将步骤(2)反应制备的产物过滤，洗涤，并干燥，制得无定型炭源包覆球形石墨；(4)在保护气氛下，无定型炭源包覆球形石墨经过高温炭化，制得炭包覆石墨负极材料。如上所述步骤(1)中球形石墨的平均粒径为10－30微米，有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮等的一种或几种。如上所述步骤(1)中无定型炭源为沥青、酚醛树脂中的一种或两种。如上所述步骤(1)中无定型炭源与球形石墨质量比为：3:100－20：100。如上所述步骤(2)中二甲基硅油与混合悬浊液的质量比为5:100－20:100。如上所述步骤(2)中加热温度为130－180℃，加热时间为0.5－3h，搅拌速度为300－1000r/min。如上所述步骤(3)中洗涤是先采用有机溶剂进行洗涤，再用乙醇洗涤，最后用去离子水洗涤。所用有机溶剂为四氯化碳、三氯甲烷、二氯甲烷、甲苯、苯中的一种或几种。干燥条件为在真空，80－120℃温度条件下，干燥1－10h。如上所述步骤(4)中炭化过程的保护气氛为氩气或氮气，炭化条件是温度为从室温升温至600－700℃，恒温0.5－2h，再升温至800－1000℃，恒温为1－3h，升温速率为1℃/min－10℃/min。本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的锂离子负极材料外层包覆的无定型炭分布均匀，通过无定型炭的外层包覆，相当于在球形石墨外表面形成一层坚硬的保护层，这样石墨材料在充放电过程中体积膨胀时，就会避免石墨片层脱落，从而使得负极材料的循环性能更加优异。充放电容量≥360mah/g，首次效率≥92％，充放电循环100次后容量衰减≤5％。附图说明图1为本发明中未包覆无定型炭球形石墨材料的扫描电镜测试结果图。图2为本发明实施例2中炭包覆的石墨负极材料的扫描电镜测试结果图。图3为本发明实施例2中炭包覆的石墨负极材料的电压-比容量测试曲线图。图4为本发明实施例2中炭包覆的石墨负极材料前100次循环充放电测试结果图。图5为本发明实施例4中炭包覆的石墨负极材料的扫描电镜测试结果图。图6为本发明实施例4中炭包覆的石墨负极材料的电压-比容量测试曲线图。图7为本发明实施例4中炭包覆的石墨负极材料前100次循环充放电测试结果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。但本发明的内容不仅仅局限于下面实施例。实施例1一种炭包覆石墨负极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将无定型炭源与有机溶剂混合至完全溶解，加入到天然球型石墨中，搅拌形成均匀悬浊液；(2)将二甲基硅油置于油浴锅中；(3)将步骤(1)无定型炭源和球形石墨的悬浊液滴加入二甲基硅油中，加热搅拌；(4)将步骤(3)反应制备的产物过滤，洗涤，并干燥制得无定型炭源包覆球形石墨；(5)在保护气氛下，无定型炭源包覆球形石墨经过高温炭化，制得炭包覆石墨负极材料。如上所述步骤(1)中球形石墨的平均粒径为10微米，有机溶剂为乙醇。如上所述步骤(1)中无定型炭源为酚醛树脂。如上所述步骤(1)中无定型炭源与球形石墨质量比为：3:100。如上所述步骤(2)中二甲基硅油与混合悬浊液的质量比为5:100。如上所述步骤(3)中加热温度为130℃，加热时间为3h，搅拌速度为300r/min。如上所述步骤(4)中洗涤是先采用四氯化碳进行洗涤，再用乙醇洗涤，最后用去离子水洗涤。干燥条件为在真空，80℃温度条件下干燥10h。如上所述步骤(5)中炭化过程的保护气氛为氩气或氮气，炭化条件是温度为从室温升温至600℃，恒温2h，再升温至800℃，恒温为3h，升温速率为1℃/min。实施例2所述步骤(1)中球形石墨的平均粒径为30微米，有机溶剂为乙醇和丙酮。所述步骤(1)中无定型炭源为沥青。所述步骤(1)中无定型炭源与球形石墨质量比为：10:100。所述步骤(2)中二甲基硅油与混合悬浊液的质量比为20:100。所述步骤(3)中加热温度为180℃，加热时间为1h，搅拌速度为1000r/min。所述步骤(4)中洗涤是先采用四氯化碳和三氯甲烷进行洗涤，再用乙醇洗涤，最后用去离子水洗涤。干燥条件为在真空，120℃温度条件下干燥1h。所述步骤(5)中炭化过程的保护气氛为氩气或氮气，炭化条件是温度为从室温升温至700℃，恒温0.5h，再升温至1000℃，恒温为1h，升温速率为10℃/min。其余同实施例1。实施例3所述步骤(1)中球形石墨的平均粒径为20微米，有机溶剂为乙醇和甲醇。所述步骤(1)中无定型炭源为酚醛和沥青。所述步骤(1)中无定型炭源与球形石墨质量比为：20:100。所述步骤(2)中二甲基硅油与混合悬浊液的质量比为10:100。所述步骤(3)中加热温度为160℃，加热时间为1h，搅拌速度为600r/min。所述步骤(4)中洗涤是先采用四氯化碳和甲苯进行洗涤，再用乙醇洗涤，最后用去离子水洗涤。干燥条件为在真空，100℃温度条件下干燥8h。所述步骤(5)中炭化过程的保护气氛为氩气或氮气，炭化条件是温度为从室温升温至650℃，恒温1h，再升温至900℃，恒温为1h，升温速率为5℃/min。其余同实施例1。实施例4所述步骤(1)中球形石墨的平均粒径为17微米，有机溶剂为乙醇。所述步骤(1)中无定型炭源为酚醛。所述步骤(1)中无定型炭源与球形石墨质量比为：8:100。所述步骤(2)中二甲基硅油与混合悬浊液的质量比为10:100。所述步骤(3)中加热温度为150℃，加热时间为2h，搅拌速度为500r/min。所述步骤(4)中洗涤是先采用四氯化碳进行洗涤，再用乙醇洗涤，最后用去离子水洗涤。干燥条件为在真空，110℃温度条件下干燥6h。所述步骤(5)中炭化过程的保护气氛为氩气或氮气，炭化条件是温度为从室温升温至680℃，恒温1.5h，再升温至950℃，恒温为1.5h，升温速率为6℃/min。其余同实施例1。实施例5所述步骤(1)中球形石墨的平均粒径为13微米，有机溶剂为丙酮。所述步骤(1)中无定型炭源为酚醛。所述步骤(1)中无定型炭源与球形石墨质量比为：6:100。所述步骤(2)中二甲基硅油与混合悬浊液的质量比为12:100。所述步骤(3)中加热温度为180℃，加热时间为1h，搅拌速度为700r/min。所述步骤(4)中洗涤是先采用二氯甲烷进行洗涤，再用乙醇洗涤，最后用去离子水洗涤。干燥条件为在真空，120℃温度条件下干燥5h。所述步骤(5)中炭化过程的保护气氛为氩气或氮气，炭化条件是温度为从室温升温至650℃，恒温2h，再升温至850℃，恒温为2h，升温速率为8℃/min。其余同实施例1。容量、效率测试：将实施例2所得炭包覆石墨负极材料、导电炭黑、pvdf按照8:1:1的质量比混合均匀后涂于铜箔上，后将过真空干燥，制成电极片备用。扣式电池组装在氩气手套箱中进行，金属锂片为对电极，电解液为1mol/llipf6+ec+emc，隔膜为聚乙/丙烯复合微孔膜，电化学性能测试在蓝电充放电仪上进行，充放电电压范围为0.001-2v，充放电速率为0.3c，测试所得前10次嵌脱锂比容量、首次放电效率列于表1。表1循环次数充电容量(mah/g)放电容量(mah/g)效率(％)1408.2962391.7395.697.73386.6396.898.44390.3390.298.75385.1389.298.96384.7387.399.07383.4388.399.28385.1393.599.39390.7393.099.310390.2392.899.411390.3图1为未包覆无定型炭的球形石墨负极材料的扫描电镜测试结果图，可以看出石墨片层裸露，表面粗糙。图2为实施例2中的炭包覆的石墨负极材料的扫描电镜测试结果图，所示图例中，无定型炭均匀包覆在球形石墨表面，使其表面光滑。图3为实施例2中炭包覆的石墨负极材料制成扣式电池后测试的电压-比容量测试曲线图。所示图例中，比容量约390mah/g，首次库伦效率可达96％。图4为实施例2中炭包覆的石墨负极材料前100次循环充放电测试结果图。所示图例中，经过100次循环充放电测试后，比容量仍然保持在380mah/g，几乎没有衰减，循环稳定性非常好。将实施例4所得炭包覆石墨负极材料、导电炭黑、pvdf按照8:1:1的质量比混合均匀后涂于铜箔上，后将过真空干燥，制成电极片备用。扣式电池组装在氩气手套箱中进行，金属锂片为对电极，电解液为1mol/llipf6+ec+emc，隔膜为聚乙/丙烯复合微孔膜，电化学性能测试在蓝电充放电仪上进行，充放电电压范围为0.001-2v，充放电速率为0.2c，测试所得前10次嵌脱锂比容量、首次放电效率列于表2。表2循环充电容量(mah/g)放电容量(mah/g)效率(％)1395.393.52369.8370.297.43360.7372.298.14365364.898.65359.6364.798.96360.5364.599.17361.3370.299.28367.3371.599.29368.6374.699.210371.5376.099.111372.6图5为实施例4中的炭包覆的石墨负极材料的扫描电镜测试结果图，所示图例中，无定型炭均匀包覆在球形石墨表面，使其表面光滑。图6为实施例4中炭包覆的石墨负极材料制成扣式电池后测试的电压-比容量测试曲线图。所示图例中，比容量约365mah/g，首次库伦效率可达93.5％。图7为实施例4中炭包覆的石墨负极材料前100次循环充放电测试结果图。所示图例中，经过100次循环充放电测试后，比容量仍然保持在345mah/g左右，循环稳定性非常好。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本
技术领域：
人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。当前第1页12