[发明专利]一种煤基负极材料、制备方法及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种煤基负极材料、制备方法及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池现在已被大家广泛应用，传统小型锂离子电池将在平板电脑和超级本的带动下呈现稳定增长的趋势，动力电池和储能电池将是锂离子电池产业新的增长点。锂离子电池用石墨类负极材料，一般是由天然石墨或石油焦或煤焦制备而成，其结构为碳原子按六方环状排列成层，具有良好的嵌锂性能。而煤尤其是无烟煤作为碳素材料，其主要成分为碳，其中芳香结构/分子成分占有较大比例，而这些芳香结构或芳香分子也可以在适当的条件下转化为石墨材料，是一种理想的制备高石墨化度石墨产品的原料。因此，基于煤为原料制备锂离子电池用煤基负极材料的研究目前也已经成为众多研究者关注的课题。

目前，锂离子电池用煤基负极材料的研究，主要采取的是煤炭原料的脱灰(纯化)后高温改性得到，我国中科院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室李宝华等人研究的煤炭脱灰处理主要采用混合酸的化学纯化，将灰分元素溶解在强酸中，通过过滤清洗方法获得了较纯的煤基负极材料(煤基炭材料用作锂离子电池负极，宁夏大学学报，2001年6月，第22卷第2期，229-230)；清华大学材料科学与工程系时迎迎等人研究的太西煤脱灰处理，主要采用高温石墨化的方式，使灰分元素在高温下挥发，进而获得较纯的煤基碳负极材料(太西煤的石墨化改性及其锂离子电池负极性能，煤炭学报，2012年11月，第37卷第11期,1925-1929)；此外，中国矿业大学王羽玲等人就无烟煤超纯制备工艺与装备做了详细研究，获得了超纯煤炭产品，具有良好的技术经济效果(太西无烟煤超纯制备工艺与装备研究，中国矿业大学博士论文，2009年9月)。

但是在常规的酸化脱灰过程中，酸的使用容易造成安全隐患，并对环境造成污染。常规高温石墨化制作出的材料加工性能差，容量和效率较低，和电解液的相容性差，循环性能差。所以，开发高容量、高效率、加工性能好、电解液兼容性好、循环性能好的煤基负极材料是将煤应用到锂离子电池领域需要解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种煤基负极材料。本发明提供的煤基负极材料具有结构稳定性好，加工性能好、表面与电解液的兼容性好，同时具有高比容量、高电导率、高倍率、及优异的吸液性能和循环性能等优点。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤基负极材料，由煤基材料石墨化内层、中间层及分布于表面的外层组成，其中所述中间层由渗透在煤基材料孔隙中粘结剂与煤基材料表面粘结剂石墨化形成。

作为优选，所述外层由粘结剂经石墨化后得到。

所述的煤基负极材料的内层、中间层和外层分别由内层煤基材料、渗透在煤基材料孔隙的粘结剂及煤基材料表面的粘结剂经石墨化后得到。如煤基负极材料的结构示意图(图1)所示，Ⅰ层为内层，由煤基材料经过石墨化后得到；Ⅱ层为中间层，主要由渗透在煤基材料孔隙中的粘结剂与煤基材料表面粘结剂石墨化混合得到。

作为优选，所述煤基负极材料的固定碳含量为≥99.9％，平均粒径D₅₀为2.0～40.0μm，比表面积为1.0～30.0m²/g，真密度≥2.0g/cc。

优选地，002晶面的层间距d₀₀₂为：无序度I_D/I_G(面积比)为0.1～0.5。

上述条件下，所述煤基负极材料的可逆比容量≥340.0mAh/g，首次库仑效率≥90.0％，10C/1C容量比≥80.0％，1C充放电500周循环容量保持率≥80.0％。

优选地，所述平均粒径D₅₀为3.0～30.0μm，比表面积为1.0～20.0m²/g，真密度≥2.1g/cc。

优选地，所述002晶面的层间距d₀₀₂为无序度I_D/I_G为0.2～0.4。

在优选条件下，所述煤基负极材料的可逆比容量≥350.0mAh/g，首次库仑效率≥92.0％，10C/1C容量比≥85.0％，1C充放电500周循环容量保持率≥85.0％。

作为优选，所述煤基负极材料后续对其表面进行改性，优选在煤基负极材料表面形成碳层、无机非金属单质、无机非金属化合物、金属单质、金属化合物中的1种或2种以上的组合。

优选地，所述改性的改性剂为硼、磷、硅、铝或钛的单质、化合物或盐中的1种或2种以上的组合。