一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109148852 A(43)申请公布日 2019.01.04

(21)申请号 201810939164.9(22)申请日 2018.08.17

(71)申请人 东莞市凯金新能源科技股份有限公

司

地址 523000 广东省东莞市寮步镇金富三

路2号(72)发明人 晏荦　彭飞　仰韻霖　

(74)专利代理机构 深圳市智圈知识产权代理事

务所(普通合伙) 44351

代理人 韩绍君(51)Int.Cl.

H01M 4/36(2006.01)H01M 4/583(2010.01)H01M 4/62(2006.01)H01M 10/0525(2010.01)

权利要求书1页 说明书4页

(54)发明名称

一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料

(57)摘要

本发明公开了一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法，包括以下步骤：将石油焦颗粒与包覆改性剂混合搅拌，加热并对石油焦颗粒进行包覆形成复合颗粒，冷却，石墨化即可得到改善包覆性能的石墨负极材料，其中包覆改性剂按如下重量份数组分配成:沥青55-60份、硬脂酸改性聚乙烯醇20-25份、纳米掺氮氧化铟5-8份。与现有技术相比，本发明采用沥青、硬脂酸改性聚乙烯醇、纳米掺氮氧化铟对石油焦进行包覆改性，降低了沥青的表面张力、软化度和结焦值，也起到降黏增塑的作用，实现了对石油焦颗粒的有效包覆改性，减少了石墨化后石墨表面的沟壑、凹坑等缺陷，提高了石墨的石墨化活性以及首次充放电效率及其循环稳定性。

CN 109148852 ACN 109148852 A

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，包括以下步骤：将石油焦颗粒与包覆改性剂混合搅拌，加热并对石油焦颗粒进行包覆形成复合颗粒，冷却，石墨化即可得到改善包覆性能的石墨负极材料。

2.如权利要求1所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，所述的包覆改性剂按如下重量份数组分配成:沥青55-60份、硬脂酸改性聚乙烯醇20-25份、纳米掺氮氧化铟5-8份。

3.如权利要求2所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，所述的硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000。

4.如权利要求1所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，所述的包覆改性剂用量为石油焦颗粒总重量的8-18％。

5.如权利要求1所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，所述的石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒。

6.如权利要求1所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，所述的包覆过程包括调节搅拌转速10-100Hz，炉内加热并程序升温，程序升温为常温至200℃控制在0.5-10小时，200℃至400℃控制在1-10小时，00℃至600℃控制在1-10小时，600℃恒温控制在1-10小时。

7.如权利要求1所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，其特征在于，所述的冷却为自然冷却至常温；石墨化为石墨化温度2000-3000℃，时间为8-18小时。

8.一种如权利要求1-7任一所述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法制备而得的改善包覆性能的石墨负极材料。

2

CN 109148852 A

说　明　书

一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料

1/4页

技术领域

[0001]本发明涉及锂电池负极材料技术领域，尤其涉及一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料。

背景技术

[0002]目前，主要的锂离子电池负极材料有以下几种：石墨化碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金，而大规模商品化的锂离子电池负极只有两大类，就是石墨类碳材料和钛酸锂(LTO)材料。石墨材料导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，适合锂的嵌入-脱嵌，放电比容量可达300mAh/g以上，充放电效率在90％以上，不可逆容量低于50mAh/g。着眼未来，负极材料的发展重点将向着高比容量、高充放电效率、高循环性能和较低成本的方向发展。但是，由于石墨层间距小(d002≤0.34nm)，致使在充放电过程中，石墨层间距改变，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生锂离子与有机溶剂分解，进而影响电池的循环性能；高温沥青由于其优异的性能已广泛应用于石墨负极的改性包覆，但其流变性能差，适合的低黏度区间较窄；改性包覆石墨炭质骨料脱落，过度氧化消耗，石墨化活性低，石墨化程度小，这给实际应用带来了很大的问题。[0003]有鉴于此，确有必要开发一种流变性好且包覆性能好、充放电容量大、脱锂比容量高、石墨化程度高、循环寿命好的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料。发明内容

[0004]本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种流变性好且包覆性能好、充放电容量大、脱锂比容量高、石墨化程度高、循环寿命好的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料。

[0005]本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：[0006]一种改善包覆性能的石墨负极材料的制法，包括以下步骤：将石油焦颗粒与包覆改性剂混合搅拌，加热并对石油焦颗粒进行包覆形成复合颗粒，冷却，石墨化即可得到改善包覆性能的石墨负极材料。[0007]进一步地，所述的包覆改性剂按如下重量份数组分配成:沥青55-60份、硬脂酸改性聚乙烯醇20-25份、纳米掺氮氧化铟5-8份。[0008]进一步地，所述的硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000。[0009]进一步地，所述的包覆改性剂用量为石油焦颗粒总重量的8-18％。[0010]进一步地，所述的石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒。[0011]进一步地，所述的包覆过程包括调节搅拌转速10-100Hz，炉内加热并程序升温，程序升温为常温至200℃控制在0.5-10小时，200℃至400℃控制在1-10小时，00℃至600℃控制在1-10小时，600℃恒温控制在1-10小时。

3

CN 109148852 A[0012]

说　明　书

2/4页

进一步地，所述的冷却为自然冷却至常温；石墨化为石墨化温度2000-3000℃，时

间为8-18小时。

[0013]一种前述的改善包覆性能的石墨负极材料的制法制备而得的改善包覆性能的石墨负极材料。

[0014]石油焦是石油的减压渣油，经焦化装置，在500～550℃下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭，其外观为黑色或暗灰色的蜂窝状结构，焦块内气孔多呈椭圆形，且互相贯通，一般认为它是无定形炭体，或是一种高度芳构化的高分子碳化物中，含有微小石墨结晶的针状或粒状构造的炭体物。可分为海绵状焦、蜂窝状焦和针状焦3种。针状焦：具有明显的针状结构和纤维纹理，致密如纤维状，又称优质焦，主要作用炼钢中的高功率和超高功率石墨电极，针状焦主要是以芳烃含量高、非烃杂质含量较少的渣油制得。本发明中优选国产低成本石油焦如高硫焦等。

[0015]高温沥青(硬沥青)，环球法软化点为95～120℃；此外，根据用户要求，焦化厂可生产软化点为120～250℃特高温沥青。本发明中优选为软化点250℃高温沥青。[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料，采用沥青、硬脂酸改性聚乙烯醇、纳米掺氮氧化铟对石油焦进行包覆改性，通过硬脂酸改性聚乙烯醇降低了高温沥青的表面张力、软化度和结焦值，也起到降黏增塑的作用，有效地改善了高温沥青的流变性能。纳米掺氮氧化铟与硬脂酸改性聚乙烯醇和沥青掺入到石油焦颗粒并进行有效包覆，减少了石墨材料表面的C-O、C＝O等键，减少了石墨化后石墨表面的沟壑、凹坑等缺陷，改善了包覆后石墨的形貌及均匀性，提高了石墨的石墨化活性，提高了石墨负极材料的首次充放电效率及其循环稳定性，重复充电/放电循环后也能防止活性材料的剥离和脱离以及抑制了电池的容量或输出功率保持率的降低，首次放电容量可达284左右mAh/g，100次循环后可逆容量为580mAh/g左右，容量保持率为80％左右，脱锂比容量可达345.2mAh/g左右，得到了流变性好且包覆性能好、充放电容量大、脱锂比容量高、石墨化程度高、循环寿命好的改善包覆性能的石墨负极材料。[0017]上述是发明技术方案的概述，以下结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。具体实施方式：

[0018]为了使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例作详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0019]实施例1：本实施例提供的改善包覆性能的石墨负极材料的制法，包括以下步骤：将石油焦颗粒与包覆改性剂混合搅拌，加热并对石油焦颗粒进行包覆形成复合颗粒，冷却，石墨化即可得到改善包覆性能的石墨负极材料。具体地，包括：[0020](1)将石油焦颗粒和重量百分数为石油焦颗粒8％的包覆改性剂投至反应釜内，投料时要求边搅拌边投料，得到混合料，其中石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒，包覆改性剂的重量份数和组分为沥青550份、硬脂酸改性聚乙烯醇25份、纳米掺氮氧化铟5份，硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000；[0021](2)调节搅拌转速10Hz，炉内加热并程序升温，对混合料进行程序升温为常温至200℃控制在0.5小时，200℃至400℃控制在10小时，00℃至600℃控制在1小时，600℃恒温

4

CN 109148852 A

说　明　书

3/4页

控制在10小时，在升温过程中，混合料经历软化、熔融等过程，结合搅拌过程，实现对石油焦颗粒的包覆，同时石油焦颗粒相互粘接，形成二次复合颗粒；[0022](3)对二次复合颗粒进行冷至常温，之后进行石墨化处理，石墨化为石墨化温度2000℃，时间为18小时。

[0023]本实施例还提供上述方法制备而得的改善包覆性能的石墨负极材料。[0024]实施例2：本实施例提供的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料，包括以下步骤：(1)将石油焦颗粒和重量百分数为石油焦颗粒10％的包覆改性剂投至反应釜内，投料时要求边搅拌边投料，得到混合料，其中石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒，包覆改性剂的重量份数和组分为沥青60份、硬脂酸改性聚乙烯醇20份、纳米掺氮氧化铟8份，硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000；[0025](2)调节搅拌转速100Hz，炉内加热并程序升温，对混合料进行程序升温为常温至200℃控制在10小时，200℃至400℃控制在1小时，00℃至600℃控制在10小时，600℃恒温控制在1小时，在升温过程中，混合料经历软化、熔融等过程，结合搅拌过程，实现对石油焦颗粒的包覆，同时石油焦颗粒相互粘接，形成二次复合颗粒；[0026](3)对二次复合颗粒进行冷至常温，之后进行石墨化处理，石墨化为石墨化温度2500℃，时间为18小时。[0027]实施例3：本实施例提供的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料，包括以下步骤：(1)将石油焦颗粒和重量百分数为石油焦颗粒18％的包覆改性剂投至反应釜内，投料时要求边搅拌边投料，得到混合料，其中石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒，包覆改性剂的重量份数和组分为沥青58份、硬脂酸改性聚乙烯醇22份、纳米掺氮氧化铟6份，硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000；[0028](2)调节搅拌转速60Hz，炉内加热并程序升温，对混合料进行程序升温为常温至200℃控制在5小时，200℃至400℃控制在6小时，00℃至600℃控制在5小时，600℃恒温控制在3小时，在升温过程中，混合料经历软化、熔融等过程，结合搅拌过程，实现对石油焦颗粒的包覆，同时石油焦颗粒相互粘接，形成二次复合颗粒；[0029](3)对二次复合颗粒进行冷至常温，之后进行石墨化处理，石墨化为石墨化温度3000℃，时间为8小时。[0030]实施例4：本实施例提供的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料，包括以下步骤：(1)将石油焦颗粒和重量百分数为石油焦颗粒13％的包覆改性剂投至反应釜内，投料时要求边搅拌边投料，得到混合料，其中石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒，包覆改性剂的重量份数和组分为沥青58份、硬脂酸改性聚乙烯醇23份、纳米掺氮氧化铟5份，硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000；[0031](2)调节搅拌转速80Hz，炉内加热并程序升温，对混合料进行程序升温为常温至200℃控制在3小时，200℃至400℃控制在8小时，00℃至600℃控制在2小时，600℃恒温控制在7小时，在升温过程中，混合料经历软化、熔融等过程，结合搅拌过程，实现对石油焦颗粒的包覆，同时石油焦颗粒相互粘接，形成二次复合颗粒；

5

CN 109148852 A[0032]

说　明　书

4/4页

(3)对二次复合颗粒进行冷至常温，之后进行石墨化处理，石墨化为石墨化温度

2600℃，时间为14小时。[0033]实施例5：本实施例提供的改善包覆性能的石墨负极材料的制法及其材料，包括以下步骤：(1)将石油焦颗粒和重量百分数为石油焦颗粒10％的包覆改性剂投至反应釜内，投料时要求边搅拌边投料，得到混合料，其中石油焦颗粒为以石油焦为原料，经过初破、机械磨磨粉及整形得到的粒度范围16-19um的石油焦颗粒，包覆改性剂的重量份数和组分为沥青55份、硬脂酸改性聚乙烯醇21份、纳米掺氮氧化铟7份，硬脂酸改性聚乙烯醇由硬脂酸与聚乙烯醇经催化酯化反应而得，聚乙烯醇的平均分子量16000-18000；[0034](2)调节搅拌转速35Hz，炉内加热并程序升温，对混合料进行程序升温为常温至200℃控制在10小时，200℃至400℃控制在3小时，00℃至600℃控制在6小时，600℃恒温控制在5小时，在升温过程中，混合料经历软化、熔融等过程，结合搅拌过程，实现对石油焦颗粒的包覆，同时石油焦颗粒相互粘接，形成二次复合颗粒；[0035](3)对二次复合颗粒进行冷至常温，之后进行石墨化处理，石墨化为石墨化温度3000℃，时间为11小时。

[0036]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

6