[发明专利]一种人造石墨负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种人造石墨负极材料及其制备方法和应用，在低温条件下催化煤基材料制备高石墨化结构的负极材料，并将其应用在锂离子电池负极材料，将煤炭进行粉碎筛选，将催化剂与煤炭充分混合均匀，经过石墨化处理得到具有高度石墨化结构的人造石墨材料；催化剂为金属氧化物或非金属酸。与现有技术相比，本发明能有效降低石墨化过程中热处理温度，并提高人造石墨的石墨化程度，生产工艺简单，成本低，同时将其应用到锂离子电池负极材料中，具有首次库伦效率高、倍率性能好、循环寿命长等优点。

技术领域

本发明涉及碳材料领域，主要是锂离子电池负极材料的制备，尤其是涉及一种人造石墨负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

全球能源危机和环境污染导致了对可持续能源和高性能储能设备的巨大需求。锂离子电池被认为是最具吸引力的储能和转换设备之一，由于其能量密度高、设计灵活、重量轻、循环寿命长等优点，在过去几十年受到了广泛的关注。锂离子电池在便携式电子设备、电动汽车和混合动力汽车上有着广泛的应用，其电化学性能在很大程度上取决于锂离子电池负极材料的选择。

炭材料在上世纪90年代被开发用于锂离子电池负极材料，因其具有容量高，稳定性好，安全性能高等优点，被广泛应用于锂离子电池负极材料中，各种碳材料中，石墨负极材料因其具有较低的充放电电压平台，可逆容量大、循环性能好以及成本低等优势而被广泛研究应用于锂离子电池中。目前石墨负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主。

中国专利CN104143635A中公开的一种人造石墨负极材料的制备方法，将球形天然石墨、针状焦和石墨化催化剂进行混合；然后在高温3200℃下进行48小时的石墨化处理，制备出人造负极石墨材料。该方法不仅原料成本高，且能源消耗巨大，不具备大范围推广的可能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降低石墨负极材料的生产成本的人造石墨负极材料及其制备方法和应用。

本发明提供采用价格低廉，储量丰富的煤炭作为原料，通过添加金属氧化物或非金属酸作为催化剂，降低石墨化处理温度，大大降低生产能耗，制备出具有较高石墨化度，电化学性能优异的人造石墨负极材料，可以通过以下技术方案来实现：

人造石墨负极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将煤炭进行破碎处理，并对其进行筛选，得到煤粉；

(2)将煤粉与酸溶液以1:(5-8)的质量比均匀混合，在室温下搅拌或静置3-12 h，然后将其过滤洗涤，直至滤液使用硝酸银检测无沉淀发生，以除去煤粉中的灰分；

(3)利用管式炉对除去灰分的煤粉进行预碳化处理；

(4)利用球磨机、研钵或者电磁搅拌器将预碳化处理后的煤粉与催化剂均匀混合，得到混合后的粉末样品；

(5)将粉末样品进行石墨化处理，得到石墨化度高于80％的人造石墨负极材料。

进一步地，步骤(1)中所述的煤炭为烟煤或无烟煤的一种或两种，优选为无烟煤，更优选为太西无烟煤；所述的筛选为经过200-400目筛网；所述的煤粉粒径小于80μm。

进一步地，步骤(2)中所述的酸溶液为盐酸、氢氟酸和去离子水的混合溶液，其中盐酸的质量分数浓度为36-38％，氢氟酸的质量分数浓度为35-40％，混合溶液中盐酸所占体积分数为1.5-10％，氢氟酸所占体积分数为0.75-3％：洗涤选用去离子水。

进一步地，步骤(3)中所述的碳化处理，其温度为600-900℃，时长为1-5h，气体氛围为氮气。