[发明专利]一种煤基石墨复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种煤基石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤：将未提纯的煤基焦粉进行破碎，然后进行石墨化，石墨化处理在磁场作用下进行，将石墨化后的煤基焦粉与煤沥青混合，进行碳化处理，将碳化后的煤基焦粉进行除磁、筛分、混料处理，得到煤基石墨复合材料。本发明克服现有煤基负极材料电学性能不理想、生产成本高的问题，提供一种压实密度高、克容量高且倍率性能优异的煤基石墨负极材料及其制备方法，本发明制备得到的负极材料压实密度≥1.5g/cm³，扣电放电容量≥335mAh/g，10C倍率下放电容量比＞50％。本发明制备得到的煤基负极材料石墨化度升高，而差热实验中的起始温度反而降低，但1000℃的残余固体比例增加。

技术领域

本发明涉及一种煤基石墨复合材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池负极材料领域。

背景技术

目前主流的负极是天然石墨和人造石墨，天然石墨是石墨矿采矿后经过浮选、球形化、表面包覆制成；人造石墨则是以石油或煤化工的副产物煤焦油沥青或减压渣油为原料，经延迟焦化制成针状焦，并经过造粒、石墨化制成。负极材料有克容量、倍率性能、循环寿命、首次效率、压实密度、膨胀、比表面积等多项性能指标，多项指标难以兼顾，如大颗粒的压实密度好、克容量高，但倍率性能不好；小颗粒反之。负极制造商需要通过优化生产工艺，提高材料的整体、综合性能。

煤焦是一种来源广泛、价格低廉的煤基原料，其主要成分与针状焦相同，因此，一直有人尝试采用煤焦作为原料替代针状焦来生产石墨负极材料。现有的煤基负极材料生产技术，一般是先采用HF和/或HCl处理破碎的对煤焦，再针对提纯后的煤焦进行碳化、石墨化，以及整形造粒加工，以制备煤基负极材料。

现有的煤基石墨负极材料制备技术需要先进性酸提纯步骤，而酸提纯步骤成本高昂，导致所生产的煤基石墨材料与针状焦制备的人造石墨负极材料相比，并不具有成本优势，此外，现有的煤基石墨负极材料同样无法做到兼顾压实密度、克容量和倍率性能三个技术指标。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种煤基石墨复合材料及其制备方法和应用，通过该方法制备得到的煤基石墨复合材料压实密度高、克容量高且倍率性能优异。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种煤基石墨复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将未提纯的煤基焦粉进行破碎，得到破碎后的煤基焦粉；

(2)将步骤(1)得到的破碎后的煤基焦粉进行石墨化，石墨化处理在磁场作用下进行，得到石墨化后的煤基焦粉；

(3)将步骤(2)得到的石墨化后的煤基焦粉与煤沥青混合，得到混合后的煤基焦粉；

(4)将步骤(3)得到的混合后的煤基焦粉进行碳化处理，得到碳化后的煤基焦粉；

(5)将步骤(4)得到的碳化后的煤基焦粉进行除磁、筛分、混料处理，得到煤基石墨复合材料。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，未提纯的煤基焦粉的灰分为5～20wt％；灰分中，以灰分总量为基准，以各元素的氧化物计，Fe₂O₃含量为25～60wt％。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，破碎后的煤基焦粉粒径分布为：D10＝3～6μm，D50＝8～18μm，D90＝15～35μm。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，磁场强度为2～3T，加磁场的时间为7～12h。

作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述石墨化的条件为：以3.5～5.5℃/min的条件升温至2650～2800℃，在2650～2800℃维持40～50h。