[发明专利]一种高能量密度石墨复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高能量密度石墨复合材料及其制备方法，所述高能量密度石墨复合材料包括外壳和内壳，所述内核包括石墨，所述外壳包括铌酸钛、石墨烯和无定型碳，其中，所述外壳和所述内壳的质量比为(1～10)：(90～100)。通过本发明的制备方法制成的高能量密度石墨复合材料，通过铌酸钛包覆在石墨的表面，利用铌酸钛层间距大、锂离子导电率高的特性，从而提升锂离子的嵌入/脱出速率，改善其循环性能；此外，通过聚合反应得到硬碳包覆层材料，在石墨的表面包覆铌酸钛和硬碳复合材料，能够提升保液性能，降低其膨胀，进一步提升了倍率和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料制备技术领域，特别是涉及一种高能量密度石墨复合材料及其制备方法。

背景技术

随着市场对高能量密度电池及其快充性能要求的提高，对锂离子电池负极材料的性能要求也随之提高。

目前，石墨材料的原料主要以石油焦/针状焦为主，碳化后形成人造石墨并在其表面无定形碳，其主要存在比容量低(≤358mAh/g)，压实密度低(≤1.7g/cm3)，首次效率低(≤94％)及其快充性能一般等问题，同时存在能量密度与快充性能不能同时兼顾的问题；而金属氧化物虽然具有阻抗低、比容量高及其与电解液相容性惰性等特性，但是循环性能较差，无法满足消费者的需求。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中存在的问题，提供一种高能量密度石墨复合材料及其制备方法。

一种高能量密度石墨复合材料，包括外壳和内壳，所述内核包括石墨，所述外壳包括铌酸钛、石墨烯和无定型碳，

所述外壳和所述内壳的质量比为(1～10)：(90～100)。

在其中一个实施例中，所述外壳包括铌酸钛10wt％～30wt％、石墨烯0.5wt％～2wt％和余量的无定形碳。

上述一种高能量密度石墨复合材料，通过铌酸钛包覆在石墨的表面，利用铌酸钛层间距大、锂离子导电率高的特性，从而提升锂离子的嵌入/脱出速率，改善其循环性能。

一种高能量密度石墨复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：按质量比，分别称取高分子聚合物、交联剂以及硫酸添加到混合机中，搅拌均匀，并在150℃～300℃的温度下进行反应，得到交联聚合物；

S2：将交联聚合物溶解于有机溶剂中，过滤，真空干燥48h，得到前驱体材料A；

S3：配制浓度为1％～10％的铌酸钛溶液，将前驱体材料A、石墨烯导电液加入至铌酸钛溶液中，搅拌均匀，喷雾干燥；

S4：干燥后，在400℃～600℃的温度下进行预碳化处理，碳化1h～6h；

S5：碳化后，将温度降至室温，粉碎；

S6：粉碎后，升温至1000℃～1600℃，继续碳化1h～6h，粉碎，得到前驱体包覆材料B；

S7：按质量比，分别称取石墨、沥青和前驱体包覆材料B放入研磨机中，混合均匀，研磨，在150℃～300℃的温度下进行预碳化处理，碳化1h～6h；

S8：碳化后，继续升温至700℃～1000℃，并保温1h～6h，接着在惰性气氛下降温，待温度降至室温，粉碎，得到石墨复合材料。

在其中一个实施例中，在S1步骤中，所述高分子聚合物、所述交联剂、所述硫酸的质量比为100:(10～30):(1～10)。

在其中一个实施例中，所述高分子聚合物为环氧树脂、糠醛树脂、酚醛树脂中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述交联剂为苯甲醛、三聚甲醛和甲醛中的一种或多种。