[发明专利]动力锂离子电池用煤基复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种动力锂离子电池用煤基复合负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是降低生产成本，保护环境，适合大规模产业化生产。本发明的动力锂离子电池用煤基复合负极材料，以石墨化度为75～90％的石墨化无烟煤为基体，基体外包覆有介孔碳，介孔碳包覆层质量为基体质量的2.0～7.5％。本发明的动力锂离子电池用煤基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：粉碎，配料混合，压坯，高温石墨化，包覆固化，热解。本发明与现有技术相比，动力锂离子电池用煤基复合负极材料具有高容量，高倍率充放电性能，长循环寿命，对环境友好、制备方法简单、工艺条件容易控制，生产成本低，适合大规模产业化生产。

技术领域

本发明涉及一种新能源材料，特别是一种动力锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

目前商品化的锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极活性物质，包括天然石墨和人造石墨两大类。天然石墨用作锂离子电池的负极材料，具有放电比容量高，加工性能好的优点，但其高低温性能不好，同时与有机电解液的相容性差，充放电时易发生石墨片层剥离，影响大电流充放电性能及循环寿命。现有技术采用球形化处理、表面微氧化、表面包覆、表面有机化和元素掺杂的改性手段，虽然能够在一定程度上改善天然石墨的表面结构和化学性能，降低电解液对石墨层片的腐蚀，有效提高天然石墨负极材料首次充放电效率和循环寿命，但对其倍率充放电性能，高低温性能的改善有限，这使得天然石墨较难满足动力锂离子电池对高功率和高安全性能的使用要求。

相比于天然石墨，人造石墨负极材料主要以石油焦、针状焦为原料，沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，虽然人造石墨负极材料放电比容量相较偏低，但由于其具有良好的循环稳定性、优异的高低温性能、良好的安全性能，是目前动力锂离子电池市场上应用最为广泛的负极材料。但现有技术的人造石墨负极材料制备体系，原材料价格高，工艺流程复杂，使产品生产成本较高，同时，随着动力用锂离子电池对高能量密度、高功率的发展需求，迫使人造石墨负极材料需通过不断改性进一步提高放电容量和高倍率充放电性能，降低成本。

无烟煤作为优质的碳素材料，主要成分为碳，其中芳烃结构或芳烃分子占有较大比例，而这些芳烃结构或芳烃分子也可以在适当的条件下转化为石墨材料，是一种较为理想的制备人造石墨的原料。由于石墨化无烟煤与天然微晶石墨成材机理相似，因此两者具有相似的微观结构，石墨晶体小，各向同性的结构使得以其制备的负极材料在循环寿命、快速充放电方面具有极为优异的表现，同时原料来源广泛且价格低廉确保了锂离子负极材料具有较低的生产成本。另外，无烟煤焦炭密度高于烟煤焦炭，同时兼具石墨化碳与非石墨化碳的性能优势，处理温度低于2000℃时其表现出硬碳行为，高于2500℃时候表现出软碳行为，可通过优化设计高温石墨化工艺实现对石墨化无烟煤石墨化度和结构的控制，使得到的材料保持有较大的石墨层间距结构和硬碳性能，不仅可以大幅提高锂离子负极材料的嵌锂空间，增加电极可逆比容量，还能够拓展锂离子在石墨层中的扩散通道，改善锂离子负极材料的高倍率充放电性能、循环稳定性以及低温电化学性能。因此以无烟煤为基材的高性能锂离子负极材料研究开发，可有望解决动力锂离子电池在能量密度、充放电速率、生产成本方面的瓶颈问题。

现有技术关于以无烟煤为基材的锂离子电池负极材料的研究，主要通过纯化结合高温改性的方式来制备。中国专利公开号106099105A中公开了一种球形多孔人造石墨负极材料，将无烟煤球磨、除杂、分散、包覆、高温热处理后，制备得到纯度99.9％以上的多孔球形人造石墨负极材料，虽然材料0.5C可逆容量可达到390mAh/g，但在除杂过程中使用酸洗纯化易对环境造成污染，不利于产业化。中国专利公开号104681786A中公开了一种煤基负极材料、制备方法及锂离子电池，煤基材料纯化采用在石墨化过程中通入提纯气体反应，存在设备易腐蚀和提纯不均匀的问题，同时该方法所制备得到的材料可逆容量在 350mAh/g左右，难以满足动力锂离子电池对能量密度的高需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力锂离子电池用煤基复合负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是降低生产成本，保护环境，适合大规模产业化生产。