本发明属于锂电池,尤其涉及一种改性石墨材料及其制备方法。
背景技术:
1、锂电池的负极材料,主要包括碳基材料、氧化基材料、磷基材料,以及硅基材料。其中,碳基材料是最常见的,其又可以再细分为硬碳、软碳、硬软复合碳、石墨,以及其他碳材料。
2、另一方面,石墨负极材料的优点突出,缺点也很明显,前者主要包括:理论嵌锂容量高、充放电电位低,以及良好的充放电电压平台,后者主要指的是:与电解液的相容性一般,易膨胀剥落,从而降低电池的容量,缩短电池的有效使用寿命。
3、因此,锂电池的石墨负极材料一般都为改性石墨,而常见的改性方法之一就是包覆,即上述改性石墨的结构组成可以分为内核与包覆层。相应的,改性石墨与石墨原料相比,前者具有更小的比表面积(ssa),上述包覆层可以对石墨原料表面的各类缺陷进行覆盖修复。因此,反应在电池性能上,改性石墨对应的锂电池相较于石墨原料对应的锂电池,前者具有更高的首次充放电效率,简称首效。一般的,后者的首效在89%左右,前者可以将该数值提升至92-94%。
4、例如,申请公布号为cn118270782a、申请公布日为2024.07.02的中国发明专利申请,就公开了一种改性石墨材料及其制备方法,其制备方法包括以下步骤,首先将石墨加入到一定浓度的氧化剂溶液中,快速搅拌一段时间后过滤洗涤,然后将氧化石墨和苯并噁嗪单体混合均匀并熔融包覆,最后在惰性气体中热处理即可得到改性石墨材料。
5、该发明专利申请中的改性石墨材料,其优点主要是:苯并噁嗪树脂在固化成型时的低收缩性和热解高残炭率,能够有效降低石墨表面缺陷和比表面积,增加了表面包覆层的结构致密性,最终改善了石墨负极材料的首次效率和循环性能。
6、但是,该制备方法在实际实施过程中,则至少还存在以下不足之处,即:
7、其苯并噁嗪树脂材料自身具有较大的毒性,有强烈的刺激性气味和腐蚀性,可引起皮肤、眼睛和呼吸道刺激,长期接触苯并恶嗪树脂会对人体造成严重的健康危害。
技术实现思路
1、本发明提供一种改性石墨材料,还有一种该材料的制备方法。本发明所要解决的技术问题是:如何在保证锂电池负极材料的性能至少没有明显降低的前提下,使得整个制备方法更加简单、安全。
2、本发明解决上述问题采用的技术方案是:一种改性石墨材料,结构组成为石墨内核和树脂包覆层,所述改性石墨材料的振实密度≥0.9g/cm3、比表面积≤3m2/g。
3、一种改性石墨材料的制备方法,依次包括以下步骤,
4、s1、混料:在混料机中添加石墨料和树脂包覆料,搅拌混合后,得到混合料;
5、s2、三段升温式熔融包覆:在熔融包覆机中先添加所述混合料,再在惰性气体氛围中,依次进行持续低温、持续中温和持续高温的三段升温式搅拌包覆操作,然后在持续高温阶段进行静置保温,最后进行静置冷却操作,得到熔融包覆料;
6、s3、碳化:在碳化炉中添加所述熔融包覆料,并在惰性气体氛围中,进行碳化操作,然后冷却至室温,得到最终的所述改性石墨材料。
7、进一步优选的技术方案在于:s1中,所述石墨料为人造石墨或天然石墨,所述树脂包覆料为酚醛树脂和分散剂的组合物,或者是脲醛树脂和分散剂的组合物,或者是硅树脂和分散剂的组合物,或者是浙江卡波恩新材料有限公司生产的zcm200、zcm250 、zcm280树脂基新型负极包覆材料。
8、进一步优选的技术方案在于:s1中,所述树脂包覆料的重量为所述石墨料重量的4-8%。
9、进一步优选的技术方案在于:s2中,持续低温阶段的温度为180-280℃,持续中温阶段的温度为300-400℃,持续高温阶段的温度为350-550℃。
10、进一步优选的技术方案在于:s2中,从室温到持续低温阶段的升温速率为3-5℃/min,温度达到后持续保温时间为3-10min,期间持续搅拌,从持续低温阶段到持续中温阶段的升温速率为2-4℃/min,温度达到后持续保温时间为3-10min,期间持续搅拌,从持续中温阶段到持续高温阶段的升温速率为2-4℃/min,温度达到后持续保温时间为1-2h,期间持续搅拌,持续高温阶段的静置保温时间≥2h。
11、进一步优选的技术方案在于:s2中,冷却至室温的降温速率≤20℃/min。
12、进一步优选的技术方案在于:s3中,所述碳化操作的温度为1100-1300℃、升温速率为2-10℃/min,时间为4-6h。
13、本发明相较于现有技术而言,有益效果至少包括:
14、第一、该改性石墨材料具有相对较大的振实密度、相对较小的比表面积,而且其制备方法中不存在相对危险的原料和操作步骤,因此兼具高效、安全的双重优点;
15、第二、三段升温式熔融包覆的操作,得以逐步将树脂包覆料软化至熔融态的同时,与石墨料充分接触混合,确保包覆效果的均匀性;
16、第三、其石墨料和树脂包覆料的选择范围相对较大,保证该制备方法具有较大的实用性;
17、第四、碳化操作所需的温度相对较低,明显低于1500-2500℃的现有常见碳化温度,具有节能高效的优点。
1.一种改性石墨材料,其特征在于:结构组成为石墨内核和树脂包覆层,所述改性石墨材料的振实密度≥0.9g/cm3、比表面积≤3m2/g,
2.根据权利要求1所述的一种改性石墨材料,其特征在于:s1中,所述石墨料为人造石墨或天然石墨,所述树脂包覆料为酚醛树脂和分散剂的组合物,或者是脲醛树脂和分散剂的组合物。
3.根据权利要求1所述的一种改性石墨材料,其特征在于:s1中,所述树脂包覆料的重量为所述石墨料重量的4-8%。
4.根据权利要求1所述的一种改性石墨材料,其特征在于:s2中,持续低温阶段的温度为180-280℃,持续中温阶段的温度为300-400℃,持续高温阶段的温度为350-550℃。
5.根据权利要求4所述的一种改性石墨材料,其特征在于:s2中,从室温到持续低温阶段的升温速率为3-5℃/min,温度达到后持续保温时间为3-10min,期间持续搅拌,从持续低温阶段到持续中温阶段的升温速率为2-4℃/min,温度达到后持续保温时间为3-10min,期间持续搅拌,从持续中温阶段到持续高温阶段的升温速率为2-4℃/min,温度达到后持续保温时间为1-2h,期间持续搅拌,持续高温阶段的静置保温时间≥2h。
6.根据权利要求1所述的一种改性石墨材料,其特征在于:s2中,冷却至室温的降温速率≤20℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种改性石墨材料,其特征在于:s3中,所述碳化操作的温度为1100-1300℃、升温速率为2-10℃/min,时间为4-6h。