[发明专利]一种快充型锂离子电池球形石墨负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种快充型锂离子电池球形石墨负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料技术领域，其结构为多孔石墨化无烟煤颗粒通过无定形碳包覆组成的二次颗粒团聚体；多孔石墨化无烟煤颗粒由无烟煤通过KOH活化、石墨化得到，无定形碳通过热解含碳有机前驱体得到，二次结构通过喷雾干燥造粒形成。本发明所获得的快充型锂离子电池石墨负极材料，可在10C倍率下恒流充电容量150mAh/g，5C恒流充电容量大于230mAh/g，经过1000次循环后容量保持率大于85%。该方法简单易行，并且容易进行工业放大，制备所用原料资源丰富，同时具有成本优势。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及的是一种快充型锂离子电池球形石墨负极材料及其制备方法。

背景技术

由于电动汽车和大规模储能等产业的迅速发展，锂离子电池市场日益增加。锂离子电池负极材料主要分为炭基材料和非炭基材料。炭基材料中石墨类材料应用较广，如人造石墨、天然石墨和中间相炭微球等。人造石墨由于容量高、循环性能相对较好，目前主要用于动力电池领域。天然石墨负极由于首次效率较低、循环性能差，主要用于电子产品电池领域。中间相碳微球综合性能最好，但是成本也相对较高，目前主要面向高端应用，如航模、无人机等。虽然目前炭基负极材料被广泛使用，充电速度慢是制约着石墨类负极材料的极为重要的问题。从电化学反应上来讲，石墨与Li发生反应的电位与Li离子沉积析出Li金属的电位十分接近，电极内部稍微出现电解液浓度、温度等造成的极化就会达到析Li电位，产生Li枝晶。同时，在Li向石墨内部扩散时，需要通过石墨晶体的端面，如果非电化学活性的基面存在过多，Li离子的扩散位点过少，Li会沉积在石墨表面。Li进入到石墨内部后依靠浓度差在石墨晶体内部扩散，石墨层间距的大小直接确定了锂离子的扩散速度。所以目前常用的石墨类负极只能在较低的充电速率下工作，电流过大时就会由于极化作用而出现锂析出，导致电容容量降低、循环性能变差，进而造成安全问题。

为了提升石墨类负极的快充充电能力，目前围绕石墨的结构进行了一些改进。发明专利《一种可用于快速充电的锂离子电池的负极的制备方法》（申请号：201810017551.7）将石墨在酸性溶液中进行氧化处理，由于腐蚀和插层作用，可以得到表面多孔并具有较大层间距的石墨负极材料。该方法会导致石墨负极导电性能下降，并且首次库伦效率也会降低。还有一种普遍使用的方法是采用KOH对石墨进行刻蚀活化，在表面上引入可供锂离子快速迁移的微孔（Characterization of graphite etched with potassium hydroxideand its application in fast-rechargeable lithium ion batteries. Journal ofPower Sources 324: 475-483.）。该方法反应周期长，需要真空烧结，能耗较大。发明专利《一种石墨负极材料及使用该石墨的快充锂离子电池》（申请号：201610329312.6）中采用沸点低于石墨化温度的金属、非金属单质等与石墨原料混合，石墨化过程中受热蒸发，在石墨粉体上留下大量孔洞。但以上方法都是对已经制备好的石墨颗粒进行改善，增加了成本和工序的复杂度，并且也很难保证每个石墨颗粒都能较好地进行改进，所以最终产品的快充性能有限。