[发明专利]一种锂离子电池碳负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及一种锂离子电池碳负极材料，也涉及该锂离子电池碳负极材料的制备方法。

发明背景

锂离子电池自上世纪90年代开始实用化以来，由于具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电量小、无记忆效应等突出优点，已广泛应用于移动终端、数码产品及便携式移动设备、电动汽车和储能电站等领域。但是，随着新一代设备终端产品的诞生，目前锂电材料特别是负极材料很难同时满足其对循环性能和大功率充放电性能的要求。

目前所用的高性能负极材料主要是人造石墨和中间相炭微球，但成本较高。天然石墨因其成本优势一直受到广泛关注，但其仍存在以下问题：(1)天然石墨具有完整的片层结构，易与电解液中的小分子发生反应造成材料粉化，且高石墨化程度会导致负极片表面形成的SEI膜不稳定，影响电池的循环稳定性。(2)大电流充放电性能、低温条件下使用性能差。目前对天然石墨的改性大多是在其表面包覆一层有机物裂解碳，却很难形成完整的核壳结构，也很难同时满足对材料大功率充放电和高循环的要求。

发明内容

为了解决天然石墨的上述技术问题，本发明提供了一种新的高性能负极材料的制备工艺。在保证循环性能的同时，有效提高其大电流充放电性能和较低温度条件下的使用性能。

一种锂离子电池碳负极材料，包括核-壳结构复合颗粒，所述核-壳结构复合颗粒包括基体、基体包覆层及镶嵌在基体和基体包覆层中的碳纳米管；所述基体为天然石墨，所述天然石墨的平均粒径为6～30μm，层间距d₀₀₂为0.3353～0.3354nm；所述基体包覆层为有机物热解碳包覆层，所述有机热解碳包覆层的包覆厚度为50～300nm；所述碳纳米管的平均直径为10～100nm、平均长度为20～2000nm。

本发明的第二个目的是提供一种锂离子电池碳负极材料的制备方法。

一种锂离子电池碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将有机热解碳包覆层原料与溶剂混合，加热熔融，再加入碳纳米管，形成均一的分散体系；

(2)向步骤(1)产物中加入天然石墨，形成悬浊液体系；

(3)将步骤(2)产物进行干燥，再进行破碎、造粒处理；

(4)将步骤(3)产物在非氧化氛围中依次进行去除小分子、有机热解碳裂解自由基化、热聚合、高温碳化、微晶化处理。

本发明负极材料的不可逆比容量低，循环稳定性好，大电流充放电性能佳、低温性能优良。本发明工艺简单，全封闭反应、溶剂可循环利用，零污染物排放，绿色环保，可进行大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1所制备的高性能核-壳结构碳复合材料的晶体衍射图(采用Cukα靶辐射，2θ＝26°)；

图2为实施例1所制备的高性能核-壳结构碳复合材料的SEM图。

具体实施方式

实施例1

原料配方如下：

天然石墨：100.0g(球形石墨，电池级)，平均粒径为6～30μm，层间距d₀₀₂为0.3353～0.3354nm；有机热解碳原料：4.0g软化点为110℃的石油沥青，高纯；

溶剂：90.0g工业级萘；碳纳米管：5g(电池级，浆料，油系20％浓度)，平均直径为30～100nm、平均长度为80～400nm、

制备方法如下：

(1)取萘晶体，加入特制的密封型不锈钢烧杯中，140℃导热硅油油浴加热、搅拌，待其溶解后，加入高软化点石油沥青，300r/min搅拌分散溶解5min，然后加入碳纳米管，搅拌分散5min；

(2)加入天然石墨粉末，搅拌分散2h；

(3)升温至220℃搅拌并蒸干溶剂、破碎块状物料，过200目筛；

(4)将物料在浓度为99.99％的氮气保护下，管式炉中烧结。升温曲线如下：5℃/min从室温升到400℃，并保温2h；再以2℃/min升温至600℃，保温2h；然后以2℃/min升温至850℃并恒温3h；最后以5℃/min升温至1230℃，保温5h。自然冷却至室温，过300目筛。

最后制得复合型碳负极材料，记作A1。

实施例2

与实施例1所不同的是：用“10.0g软化点为110℃的石油沥青”代替“4.0g软化点为110℃的石油沥青”。

其他步骤同实施例1。最后制得的碳负极材料，记作A2。

实施例3：