[发明专利]一种锂离子电池用石墨材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用石墨材料的制备方法。

背景技术

在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了六边形的环，伸展成片状结构，石墨的层与层之间间隔距离较大，一般为340pm，而同一层上的碳原子间结合力很强，极难破坏。由于石墨的以上结构特点，其具有耐高温性、导电导热性、润滑性和化学稳定性等，因此被广泛用作耐火材料（如石墨坩埚）、导电材料（如碳棒、石墨垫圈等）、耐磨润滑材料（如润滑剂）以及锂离子电池负极材料等。其中作为锂离子电池负极材料是石墨的一个极其重要的应用。

近年来，锂离子电池由于具有高电压、高能量密度和长循环寿命的优势，已经成为应用范围最广的二次电池之一。但是，随着电子产品（如手机、笔记本电脑和平板电脑）等的日渐小型化、微型化和长待机化，人们对作为这些电子产品的能量来源的锂离子电池的要求越来越高，希望其在保证能量供应的情况下缩小体积，如此，就需要提高电池的体积能量密度。

体积能量密度=能量/体积=（电压×电流×时间）/体积，在电压、电流和时间一定的情况下，为了提高电池的体积能量密度，就需要减小锂离子电池的体积。锂离子电池一般包括正极片、负极片、隔膜、包装膜和充填在包装膜内的电解液等，其中的正极片、负极片、隔膜和包装膜的厚度都会影响到电池的体积。若能减小它们的厚度，无疑有助于提高电池的体积能量密度。其中，为了减少负极片的厚度，可以通过减少活性物质、粘接剂等的量来实现，通过提高负极的压实密度来实现；但前者在减少厚度的同时，也会导致能量的降低，因此，对电池的体积能量密度的提高并无裨益；而后者对电池的体积能量密度的提高是有限的，因为石墨负极存在反弹的问题，压实密度越大，电池在循环过程中的反弹就越大，从而大大降低了电池的安全性能。

但是，若能提高石墨的真密度（而非压实密度），则无疑可以有效地提高电池的体积能量密度。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池用石墨材料的制备方法，采用该方法制备的石墨具有较高的真密度，而且原料成本低廉，简单易得，容易实现。

为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：一种锂离子电池用石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，在惰性气体氛围下，将活性炭加入高温碳化炉中，加热至900～1100℃使活性炭碳化，同时抽真空，冷却后，得到碳化后的活性炭。

其中，活性炭又称活性炭黑，是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，是一种多孔碳，堆积密度低，比表面积大。

碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热。活性炭原材料经碳化后，会分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体；原料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。这些碎片可能是由一些微晶体组成。微晶体是由两片以上的、有碳原子以六角晶格排列的片状结构堆积而成，但堆积无固定的晶型，微晶体的大小和原材料的成份和结构有关，并受碳化温度的影响，大致是随碳化温度的升高而增大的。因此，本发明采用900～1100℃对活性炭进行碳化，可以获得更大的微晶体。但是碳化后的活性炭的堆积密度还是不高，结构仍然较为疏松，存在较多的孔。

步骤一中抽真空的作用在于除去碳化过程中产生的水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体。

步骤二，在惰性气体氛围下，将步骤一得到的碳化后的活性炭加入石墨化炉中，然后注入沥青，充分搅拌，同时抽真空，然后在2500～2700℃下进行石墨化，冷却后得到石墨。

其中，沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，呈液态，当将其注入碳化后的活性炭中时，可以充满碳化后的活性炭的孔隙。 

石墨化是利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，因此，在石墨化过程中，要使用高温热处理对原子重排及结构转变提供能量，本发明提供2500～2700℃实现沥青和活性炭的石墨化，在该温度下进行石墨化可以大大减少产物中存在的杂质。

石墨化炉的使用温度高达2800℃，生产效率高，节能省电，且带有在线测温及控温系统，可实时监控炉内的温度，并进行自动的调节。而且炉体密封性好，保护气体损耗小，且升温时间短，可达200℃/时。