[发明专利]一种石墨化碳负极材料制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种石墨化碳负极材料制备方法。

【背景技术】

碳/石墨材料具有较高的理论比能量，且价廉易得、制备工艺成熟，因而广泛用作锂离子电池负极材料。但是碳/石墨负极存在以下缺陷：(1)首次充电会在碳颗粒表面形成固体电解质膜(SEI)造成电池容量损失，且SEI膜生成量随充放电循环次数的增加而增加，同时电池内阻抗加大，比能量和功率性能降低；(2)高倍率快速充电时在碳颗粒表面易生成锂镀层，甚至形成锂枝晶引发电池安全性问题，并且由于碳颗粒表面存在SEI膜等原因，其电子移动、锂离子扩散阻力较大致使电池温度升高太快，易接近或超过电池隔膜的熔化温度造成操作恶化，抗极端温度和抗滥用等性能有待提高；(3)锂离子电池实际使用并非恒温过程，经过变温条件下反复充放电循环，客居锂离子插入或脱嵌对宿主电极结构引起的膨胀或收缩会使电极结构逐渐受到损坏，对电池长期循环稳定性和寿命影响较大。因此，探索更安全、长循环寿命、高比能、高比功率、适用温度范围宽、抗滥用性能好的新型碳/石墨负极材料成为改进和发展锂离子动力电池的必然趋势。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种用于锂离子电池并提高电池性能的石墨化碳负极材料制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种石墨化碳负极材料制备方法，包括以下步骤：

1)将脂肪酸在氮气气氛中、600-800℃的温度下煅烧6-8h，冷却后得到无定形碳；

2)将步骤1)获得的无定形碳在氮气气氛中、2500-2800℃的温度下煅烧4-6h，冷却后得到石墨化碳；

3)将步骤2)获得的石墨化碳与一定量的含氮聚合物分散于无水乙醇中，混合均匀后进行喷雾成球形成前驱体，然后经旋风分离器收集前驱体；

4)将步骤3)获得的前驱体在氮气气氛中、800-1000℃的温度下碳化2-4h，冷却后获得多孔石墨化碳；

5)将步骤4)获得的多孔石墨化碳与一定量的蔗糖分散于去离子水中，混合均匀后置于120-150℃的温度下鼓风干燥；干燥后在氮气气氛中，800-1000℃的温度下碳化2-3h，冷却后得到氮掺杂碳包覆多孔石墨化碳。

在一个优选实施方式中，所述脂肪酸为硬脂酸、月桂酸或肉豆蔻酸。

在一个优选实施方式中，所述含氮聚合物为聚吡咯、聚苯胺、壳聚糖或聚酰亚胺。

在一个优选实施方式中，步骤3)中，所述石墨化碳与含氮聚合物的质量比为(1-5)：(1-2)。

在一个优选实施方式中，步骤3)中，所述石墨化碳与含氮聚合物加入无水乙醇中，首先超声分散0.5-1h，然后磁力搅拌2-4h，形成均一的浆液后喷雾成球。

在一个优选实施方式中，步骤3)中，喷雾成球入口温度为180-200℃，出口温度为110-150℃。

在一个优选实施方式中，步骤5)中，所述多孔石墨化碳与所述蔗糖的质量比为(8-12)：(1-3)。

在一个优选实施方式中，步骤5)中，所述多孔石墨化碳与蔗糖加入去离子水中，首先超声分散0.5h，然后磁力搅拌1-2h。

在一个优选实施方式中，所述蔗糖可由葡萄糖或柠檬酸替代。

本发明提供的石墨化碳负极材料制备方法中采用脂肪酸作为碳源，经高温碳化、退火处理后制备石墨化碳材料；再将石墨化碳经研磨后进行二次造粒，以含氮聚合物为粘结剂，通过喷雾成球和碳化，制备球形颗粒，其中，采用含氮聚合物作粘结剂，在内部形成多孔结构，热解生成氮掺杂硬碳，形成导电网络，且硬碳经氮掺杂后，氮原子上的孤对电子，提高电池材料的电子密度和电子导电性，同时达到包覆的目的。进一步地，石墨化碳材料经二次造粒和包覆后，形成多孔石墨化碳，有利于缩短锂离子在材料内部的迁移距离，为锂离子扩散提供更多的迁移通道；然而，经造粒后，依然存在表面粗糙、比表面积大、振实密度低等缺陷，用作锂电池负极材料存在电池容量、首效低的缺点，为克服以上缺陷，将多孔石墨化碳进行二次包覆处理，利用成本低廉的蔗糖等原料，在材料表面再次包覆氮掺杂无定形碳，得到表面光滑的氮掺杂碳包覆多孔石墨化碳，其外观呈规则的球形，振实密度大，可减少副反应，有利于提高电池容量，避免石墨结构的各向异性，提升电池低温充电性能。

【附图说明】

图1为本发明提供的石墨化碳负极材料制备方法由实施例1制备的产品SEM图。

图2为实施例1制备的氮掺杂碳包覆多孔石墨化碳的TEM图。

图3为实施例1制备的氮掺杂碳包覆多孔石墨化碳的XRD图谱。