[发明专利]一种锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子动力电池用负极材料及其制备方法，特别是涉及一种以煤基焦粉为原料，具有高容量、长寿命、低成本特点的倍率型负极材料及其制备方法。属于锂离子电池材料制备技术领域。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度大、工作电压高、体积小、质量轻、无污染等方面的优异性能，是近年来发展的理想能源。随着新能源汽车的普及，其应用范围已经由便携式电子产品开始拓展到电动车等领域，成本制约成为锂离子电池发展的关键问题之一。负极材料直接影响锂离子电池性能好坏，其价格的降低影响着锂离子电池价格的降低，其种类和质量直接决定锂离子电池的性能与价格，因此廉价、高性能负极材料的研究一直是锂电池行业发展的重点。

目前的锂电负极一般采用炭负极，包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球等。天然石墨结晶性好，容量高，但振实密度低、与溶剂相容性差、循环寿命不佳；广泛使用的中间相碳微球综合性能良好，但制造工艺复杂、成本偏高，难以满足动力电池对成本的要求；人造石墨与溶剂相容性好，但容量不高，且作为动力电池负极材料时，倍率性能仍有待提高。近年来，出现了各种提高石墨材料容量和改善倍率性能的改性方法。如为了改善倍率性能，专利CN102424376A公开了一种以煤焦油加工重质产物或石油加工重质产物为原料，经过低温热化学重整、中温碳化、高温石墨化等流程，制得的人造石墨负极材料倍率性能有较大提高，但可逆容量略低，且合成周期偏长，成本较高。为了提高可逆容量，专利CN100589264C提出将煤系或石油系重质油通过延迟焦化-粉碎-碳化-催化石墨化-筛分的方法，使负极材料的结构组织和粉体特性得以改善，从而较大程度地增大了可逆容量，但其制备流程冗长，需要经过多次加热处理和筛分处理，这必将造成成本的大幅度增加。

为了降低负极材料的制备成本，专利CN102522561A采用无烟煤作为原料，在将无烟煤高温石墨化之后进行了碳前驱体包覆和碳化处理，提高了首次效率和循环性能，但制备流程依然偏长，且产物属于微晶石墨的性质，倍率性能不佳。专利CN102351163A提出了由沥青基或石油焦基两亲性炭材料经过配制溶液、搅拌及精馏分离的步骤制得纳米碳微球负极材料，该负极材料具有容量高、倍率性能好的优点，且制备工艺简单、流程短，但由于原料只经过了中温碳化处理，所得产物石墨化度不高、粒径过小而比表面积过大，使得首次效率低下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种循环性能好，容量高，价格低的锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料以及工艺流程短、制备成本低、制备的负极材料可逆容量高、倍率性能好、寿命长的锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料制备方法。

本发明一种锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料，所述碳包括纯煤基焦粉、煤沥青热解碳，所述负极材料具有核壳结构，其核心为经石墨化处理后的纯煤基焦粉，壳层由经石墨化处理后的煤沥青热解碳以及在壳层表面化学镀金属构成。

本发明一种锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料，所述所述碳由煤沥青与纯煤焦粉按质量比1:10~1:2组成，碳在所述负极材料中的质量分数固定碳含量为95.00~99.00%，表面化学镀金属占所述负极材料的质量分数为1~5%。

本发明一种锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料，所述负极材料平均粒度D50为10~30um，最小粒度大于等于5um，最大粒度小于等于30um，振实密度1.1~1.5g/cm³。

本发明一种锂离子动力电池用煤焦粉基负极材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：原料煤基焦粉干燥、破碎、分级

将原料煤基焦粉进行干燥、破碎与分级；

第二步：煤基焦粉除杂

将第一步所得煤基焦粉与酸溶液混合调浆，控制反应条件，使焦粉中的二氧化硅、氧化铁、氧化铝杂质与酸反应后，洗涤干燥，得到高纯的煤基焦粉；

第三步：高纯煤基焦粉表面包覆煤沥青

将第二步所得高纯煤基焦粉浸泡在煤沥青溶液中，搅拌均匀得到混合溶液，100℃以下蒸发除去混合溶液的溶剂，得到以高纯煤基焦粉为核、煤沥青为壳的核壳结构；

第四步：核壳结构石墨化处理

向第三步所得核壳结构中添加硼或硼的化合物作为催化剂，在惰性气氛中加热至2200-2800℃保温10min-2h，进行石墨化处理；

第五步：表面化学镀

将第四步所得经石墨化处理的核壳结构表面化学镀金属。