[发明专利]一种新型锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体来讲，本发明所述的负极材料采用不同长/径比的碳纤维长丝和短丝在一定比例下复合而成。

背景技术

自上世纪90年代初日本索尼能源技术公司率先成功开发出使用碳负极的锂离子电池以来，锂离子电池以年均15%的速度迅速占领民用二次电池市场，已经成为当前便携式电子设备的首选电源。锂离子电池的飞速发展主要是得益于电极材料的贡献，特别是负极材料的进步。锂离子电池负极材料要求具备以下特点：①尽可能低的电极电位；②离子在负极固态结构中有较高的扩散率；③高度的脱嵌可逆性；④良好的电导率及热力学稳定性；⑤安全性能好；⑥与电解质溶剂相容性好；⑦资源丰富、价格低廉，对环境无污染。负极材料是锂离子电池四大原材料（正极、负极、电解液、隔膜）之一，目前商业化锂离子电池负极材料采用的是石墨类碳材料，具有较低的锂嵌入/脱嵌电位、合适的可逆容量且资源丰富、价格低廉等优点，是比较理想的锂离子电池负极材料。

碳材料以其价廉、无毒及其优越的电化学性能在锂离子电池中得到了广泛的应用，它本身的界面状况和微细结构对电极性能有很大的影响。目前，商品化的锂离子电池碳负极材料可分为石墨、硬碳和软碳三类，其中石墨类材料依然是锂离子电池负极材料的主流。目前所研究的碳负极材料主要有石墨类材料和低温热解碳。碳材料作为锂离子电池负极材料依然存在充放电容量低、初次循环不可逆损失大、溶剂分子共插层和制备成本高等缺点，这些也是在目前锂离子电池研究方面所需解决的关键问题。

碳纤维由于具有较高的结晶取向度、较好的导电和导热性能，受到了人们的极大关注，并且作为超级电容器和锂离子电池负极材料被广泛研究，具有广泛的应用前景。锂离子电池碳负极材料的电化学性能与微观晶体结构、表面性质等有很强的关联性，其中，材料石墨化程度对材料性能的影响尤为显著。

碳纤维是一种新型的碳材料，按原材料划分主要有PAN基碳纤维(市场上90%以上为该种碳纤维)、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维等三种。一般来说，沥青基碳纤维的电阻率要比PAN基碳纤维小，PAN基碳纤维电阻率要比粘胶基碳纤维小。电子率都会随着热处理温度的升高而降低。

中国专利CN 102623704A，通过添加碳纤维，利用其高导电性和强吸附性来制备碳酸锂—碳纤维复合负极材料以解决材料大倍率充放电性能和提高导电性的问题，满足现代社会对锂离子电池应用的要求。中国专利CN 102290582A，通过添加纳米超长碳纤维VGCF，提高电池导电性，降低内阻。

中国专利CN 104037393A公布的一种锡/ 石墨烯/ 碳纤维复合锂电池负极材料制备方法，石墨烯和碳纤维混合构成的网络结构，为锂离子进出电极提供了大量顺畅的输运通道，使其可充分与负极材料接触，提高负极材料的利用效率。提高负极材料储锂的有效位置及充放电时锂的输运速度。石墨烯和碳纤维的高导电性能可以快速的实现载流子迁移，提高输出功率的同时能够有效地降低电池本身的内阻。

中国专利CN 102560744A公开了一种通用级沥青基碳纤维的制备方法，将化纤行业纺丝设备成功的应用于石油系和煤系各向同性可纺沥青的纺丝生产过程中，在预氧化处理过程中采用气相氧化法，并使用易操作、污染小的气体氧化剂进行预氧化处理，在预氧化处理和碳化处理过程中，均采用了极佳的工艺参数优化方案，成功的生产出具有优良性能指标的通用级沥青基碳纤维。

发明内容

碳纤维一般为长丝结构，其在锂离子电池领域的应用主要作为导电剂，若直接用作负极材料，存在配料难、浆料易沉淀、极片涂布密度不均匀、极片外观差等诸多问题。

本发明要提供一种全新的锂离子电池负极材料，其目的是解决碳纤维在锂离子电池的应用难题，同时扩大其应用范围。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现，一种新型锂离子电池负极材料的制备方法，其制备步骤如下：

（1）原丝制备：将碳纤维可纺沥青加热融化，通过纺丝机制得沥青纤维原丝；

（2）原丝预氧化：将沥青纤维原丝在空气中升温至高于沥青软化点10～50℃的温度下进行氧化处理3～24小时；

（3）碳化处理：将氧化处理完毕的原丝在惰性气体保护下，以1～20℃/min的升温速率升温至700 ℃～1300 ℃，高温保持0.5～5小时，然后冷却至室温；

（4）石墨化处理：将碳化处理后的原丝再进行高温石墨化；

（5）碳纤维短丝制备：将石墨化之后的碳纤维通过粉碎，得到长度为20～50μm，长度：直径=1：0.4～0.8的碳纤维短丝；