[发明专利]一种高振实密度的石墨负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高振实密度的石墨负极材料的制备方法，尤其涉及一种经整形机处理及融合机处理的天然石墨负极材料的制备方法及由该方法制得的高振实密度的石墨负极材料。本发明还涉及包括所述的石墨负极材料的电池。

背景技术

近年来，随着电子装置的微型化，越来越需要大容量低膨胀的二次电池。特别令人瞩目的是锂离子电池，与镍镉或镍氢电池相比，使用锂离子电池具有更高的能量密度。尽管目前已经针对提高电池容量进行了广泛研究，但是，随着对电池性能要求的提高，需要在提高电池容量的同时进一步降低电芯的膨胀。

作为锂离子电池用负极材料，目前已经研究了例如金属或石墨等颗粒状材料。随着电池容量的增加，特别需要可以以更高的振实密度（例如1.30g/cm³或1.30g/cm³以上）使用的负极材料。

天然石墨具有很高的电容量(＞350mAh/g)，缺点存在结构不稳定，当为了得到更高的电极密度而提高挤压压力时，石墨负极颗粒易于与集流体平行地取向，在整个电极上产生一致的取向，由于产生插入锂的石墨，所以得到的电极易于膨胀。电极膨胀使电池活性物质在单位体积内的可填充量降低，产生电池容量降低的问题。

为了解决上述问题，使用煅烧与沥青等混合的高振实密度石墨负极材料。

日本专利JP2000-182617将鳞片状天然石墨等高结晶性石墨与沥青或树脂混合，经粉碎、炭化、石墨化而制成复合物，可以改善天然石墨的不足，即首次充放电效率高，循环特性优异，容量大和涂布性优异。

日本专利JP2002-373656将具有高度取向的石墨粉末与软化点为250～400℃的中间相沥青熔融混合，然后粉碎、分级、煅烧、石墨化而制成复合物，这种负极材料结合了石墨的高容量和中间相沥青的优异特性，表现出高的效率和堆积密度。

当石墨负极材料高压实密度使用时存在的问题是，由于石墨负极材料破裂和暴露出与电解液反应的更多的表面积，加速与电解液的反应，导致充放电效率的降低。

另外，由于高压实密度导致颗粒容易破碎，在电极中充当锂离子通道的的空间减少，损坏锂离子迁移性，导致负荷特性下降。

因此，为了提高锂离子电池的放电容量，不仅需要增加活性物质的容量，而且需要使负极材料在更高压实密度下使用，以及抑制电池充电时的膨胀，维持充放电效率和负荷特性。

日本专利JP2003-173778将熔融捏合沥青与鳞片状天然石墨复合，进行机械化学、石墨化处理，制备出球形或椭圆形复合石墨材料，该复合材料由石墨芯和石墨包覆壳组成的复合颗粒，该材料在高压实密度使用时减少不可逆容量，改善循环性能。通过机械化学处理石墨颗粒，可以控制与电解液反应，因为石墨芯与包覆层结合致密，所以当高压实密度使用时，该复合颗粒也几乎不破裂，因此具有以上的优异特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题即是提高石墨负极材料的振实密度，减少石墨颗粒内部孔隙，降低膨胀从而改善材料的循环性能。本发明提供一种高振实密度的石墨负极材料的制备方法。

本发明的发明人对锂电池用天然石墨负极材料进行大量研究，结果发现：采用特定结构石墨颗粒作为负极材料，当以高振实密度使用时，可以得到解决上述技术问题的锂离子电池。该锂电池具有大的充放电容量，充放电效率高，充电时只有小量的膨胀，从而完成本发明。

本发明的另一方面，提供一种制备高振实密度石墨负极材料的方法，其包括如下步骤：①天然石墨经整形机处理得到整形物；②整形物经融合机处理得到融合体；③在1100～2000℃进行炭化处理1～10小时，筛分处理。

其中，步骤①中所述的天然石墨为球形石墨，所述的整形机处理可以提高材料的振实密度。

步骤②中所述的融合机处理可以改善天然石墨循环膨胀及延长循环使用寿命。

步骤②中所述的融合机处理采用在天然石墨整形物中加入能够石墨化的粘合剂。所述的粘合剂是石油沥青、煤沥青、酚醛树脂或环氧树脂。

步骤②中所述的融合机处理时间为3～5小时。

步骤②所述的融合方法为固相融合。

步骤③中所述的炭化处理的温度为1300～1600℃，炭化处理的时间为3～6小时。

步骤③炭化步骤后还可包含筛分处理。所述的筛分方法可为本领域常规方法，较佳的为采用振动式筛分机和/或超声式筛分机筛分。通过筛分确保颗粒的平均粒径D50达到15~25μm，产品的形貌、功能能够更佳。