阅读说明：本技术 一种改性天然石墨负极材料的制备方法 (Preparation method of modified natural graphite negative electrode material ) 是由 王胜彬 张超 张臻 黄杰 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改性天然石墨负极材料的制备方法,属于锂离子电池负极材料制备技术领域。本发明的制备方法先对天然石墨同时进行提纯及氧化扩层,分离过滤出固态物后并洗涤干燥,再对天然石墨进行整形处理得到类球形石墨粉,然后将有机包覆剂包覆于类球形石墨粉的表面上,冷却至室温后取出,在惰性气氛保护下进行高温炭化,冷却至室温后即得改性天然石墨。本发明的制备方法能够有效改善天然石墨负极材料的高倍率充放电性能及首次库伦效率,且工艺简单易控,成本低,易于工业化生产。(The invention discloses a preparation method of a modified natural graphite cathode material, and belongs to the technical field of preparation of lithium ion battery cathode materials. The preparation method comprises the steps of simultaneously purifying and oxidizing and expanding layers of natural graphite, separating and filtering solid substances, washing and drying, shaping the natural graphite to obtain spheroidal graphite powder, coating an organic coating agent on the surface of the spheroidal graphite powder, cooling to room temperature, taking out, carbonizing at high temperature under the protection of inert atmosphere, and cooling to room temperature to obtain the modified natural graphite. The preparation method can effectively improve the high-rate charge-discharge performance and the first coulombic efficiency of the natural graphite cathode material, and has the advantages of simple and easily-controlled process, low cost and easy industrial production.)

一种改性天然石墨负极材料的制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料制备技术领域，具体涉及一种改性天然石墨负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池广泛应用于3C产品及动力储能等领域中，目前主要用石墨微粉作为其负极材料，是影响锂离子电池性能的关键性因素。天然石墨具有高比容量、良好充放电平台、来源广泛、成本低等特点备受关注，但其与电池电解液的相容性较差、倍率性能低、充放电循环性能不佳等缺点限制其大规模应用。因此对天然石墨进行改性从而提高其电学性能及储能性能，成为天然石墨在高端锂离子电池负极材料中得到推广应用的关键。

中国发明专利CN108832124A对天然石墨提纯后在表面包覆介孔石墨质结构，改善天然石墨的表面结构和化学性能，提高其首次库伦效率和循环性能，但是没有针对天然石墨各向异性及层间距小等缺点进行改进，因此限制了改性后天然石墨的大电流充放电性能。CN108751187A利用无机酸对天然石墨进行氧化提高其循环稳定性，但是氧化后暴露的缺陷及活性位点限制了首次库伦效率的提升。CN104505491B利用金属离子进行扩层后再进行表面无定形碳包覆，提升了天然石墨的倍率性能及循环性能，但是其结构中存在的金属离子会随着充放电的进行逐渐向负极表面迁移并可能形成枝晶，严重影响电池的安全性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改性天然石墨负极材料的制备方法，该方法能够有效改善天然石墨负极材料的高倍率充放电性能及首次库伦效率，且工艺简单易控，易于工业化生产。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、提纯及氧化扩层：将天然石墨与氧化剂、插层剂、氢氟酸混合后，在0-50℃进行提纯及扩层30～120min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥待用；

S2、整形：将步骤S1处理后的天然石墨整形处理为D50粒径为5-30μm的类球形石墨粉；

S3、表面包覆：将步骤S2处理后的天然石墨置于流化床设备腔体中，将含有有机包覆剂的溶液喷入流化床中进行包覆，包覆反应时间为0.5～2h，待冷却至室温后取出待用；

S4、高温炭化：将步骤S3得到的类球形石墨粉在惰性气氛保护下升温至600～1200℃并保温1～6h，待冷却至室温后取出，即得改性天然石墨。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中天然石墨与氧化剂、插层剂、氢氟酸的质量比为1:0.03～1.5:0.1～15:0.05。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中的天然石墨为高碳石墨、高纯石墨、球形石墨中的至少一种。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中的氧化剂为浓硝酸、浓硫酸、过氧化氢中的至少一种。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中的插层剂为浓硝酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的至少一种。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中有机包覆剂与类球形石墨粉的质量比为0.001～0.1：1

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中含有有机包覆剂的溶液的质量分数为1～65％。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中的有机包覆剂为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂、聚乙二醇、沥青中的至少一种；所述步骤S3中所采用的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、四氢呋喃中的至少一种。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中流化床的进气温度为60～150℃。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤S4中的惰性气氛为氮气或氩气或氦气。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的制备方法通过对天然石墨的提纯过程与氧化扩层过程同步进行，简化工艺的同时增加了可处理的天然石墨原料种类，扩大了制备工艺的普适性；

(2)本发明利用有机物或无机酸根对石墨片层进行扩层，改善石墨负极材料的大倍率充放电能力；与利用金属离子扩层的方法相比，提高了改性天然石墨作为负极的安全性，又可以利用无机酸根分解产物对石墨进行掺杂，改变石墨片层的电子密度，从而提高电化学性能；

(3)本发明采用流化床新型包覆工艺，与传统包覆工艺相比，可以实现极薄包覆层的均匀包覆，避免包覆不均造成的电解液对石墨层间的腐蚀，提高循环稳定性；

综上所述，本发明的制备方法能够有效改善天然石墨负极材料的高倍率充放电性能及首次库伦效率，且工艺简单易控，成本低，易于工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、提纯及氧化扩层：将天然石墨与氧化剂、插层剂、氢氟酸按质量比1:0.03～1.5:0.1～15:0.05混合后，在0-50℃进行提纯及扩层30～120min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥待用；

S2、整形：将步骤S1处理后的天然石墨整形处理为D50粒径为5-30μm的类球形石墨粉；

S3、表面包覆：将步骤S2处理后的天然石墨置于流化床设备腔体中，将含有有机包覆剂的溶液喷入流化床中进行包覆，流化床的进气温度为60～150℃，包覆反应时间为0.5～2h，待冷却至室温后取出待用；

S4、高温炭化：将步骤S3得到的天然石墨在惰性气氛保护下升温至600～1200℃并保温1～6h，待冷却至室温后取出，即得改性天然石墨。

上述步骤中，步骤S1中的天然石墨为高碳石墨、高纯石墨、球形石墨中的至少一种，当天然石墨选用球形石墨，则不需要对天然石墨进行步骤S2的整形处理。氧化剂为浓硝酸、浓硫酸、过氧化氢中的至少一种，插层剂为浓硝酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的至少一种。

步骤S3中有机包覆剂与类球形石墨粉的质量比为0.001～0.1：1；含有有机包覆剂的溶液的质量分数为1～65％。具体地，有机包覆剂为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂、聚乙二醇、沥青中的至少一种；所采用的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、四氢呋喃中的至少一种。

步骤S4中的惰性气氛为氮气或氩气或氦气。

实施例1：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将高碳天然石墨、浓硝酸、甲酸、氢氟酸按溶质质量比为1：0.03：15：0.05在0℃搅拌混合30min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥；

S2、将步骤S1处理得到的天然石墨整形处理为D50粒径为5μm的类球形石墨粉；

S3、将步骤S2得到的类球形石墨粉置于流化床中，调节进气温度为120℃，将葡萄糖的去离子水溶液喷入流化床中，包覆反应0.5h，冷却至室温后取出；其中葡萄糖质量为类球形石墨粉质量的0.1％，葡萄糖的去离子水溶液质量分数为1％；

S4、在氮气气体保护下，将步骤S3得到的类球形石墨粉在600℃下进行炭化热处理6h，制得改性天然石墨负极材料。

实施例2：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将高碳天然石墨、30％过氧化氢溶液、磷酸、氢氟酸按溶质质量比为1：1.5：0.1：0.05在20℃搅拌混合120min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥；

S2、将步骤S1处理得到的天然石墨整形处理为D50粒径为10μm的类球形石墨粉；

S3、将步骤S2得到的类球形石墨粉置于流化床中，调节进气温度为80℃，将酚醛树脂的乙醇溶液喷入流化床中，包覆反应2h，冷却至室温后取出；其中酚醛树脂质量为类球形石墨粉质量的10％，酚醛树脂的乙醇溶液质量分数为10％；

S4、在氩气气体保护下，将步骤S3得到的类球形石墨粉在800℃下进行炭化热处理4h，制得改性天然石墨负极材料。

实施例3：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将高纯天然石墨、浓硫酸、乙酸、氢氟酸按溶质质量比为1：1：0.5：0.05在50℃搅拌混合60min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥；

S2、将步骤S1处理得到的天然石墨整形处理为D50粒径为30μm的类球形石墨粉；

S3、将步骤S2得到的类球形石墨粉置于流化床中，调节进气温度为150℃，将蔗糖的去离子水溶液喷入流化床中，包覆反应1h，冷却至室温后取出；其中蔗糖质量为类球形石墨粉质量的5％，蔗糖的去离子水溶液质量分数为65％；

S4、在氦气气体保护下，将步骤S3得到的类球形石墨粉在1000℃下进行炭化热处理2h，制得改性天然石墨负极材料。

实施例4：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将球形天然石墨、浓硝酸、草酸、氢氟酸按溶质质量比为1：0.1：10：0.05在30℃搅拌混合60min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥；

S2、将步骤S1得到的球形石墨粉置于流化床中，调节进气温度为60℃，将聚乙二醇的甲醇溶液喷入流化床中，包覆反应2h，冷却至室温后取出；其中聚乙二醇质量为类球形石墨粉质量的8％，聚乙二醇的甲醇溶液质量分数为40％；

S4、在氦气气体保护下，将步骤S2得到的球形石墨粉在1200℃下进行炭化热处理1h，制得改性天然石墨负极材料。

实施例5：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将高纯天然石墨、浓硫酸、磷酸、氢氟酸按溶质质量比为1：0.6：4：0.05在50℃搅拌混合60min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5～7，干燥；

S2、将步骤S1处理得到的天然石墨整形处理为D50粒径为15μm的类球形石墨粉；

S3、将步骤S2得到的类球形石墨粉置于流化床中，调节进气温度为80℃，将沥青的四氢呋喃溶液喷入流化床中，包覆反应1h，冷却至室温后取出；其中沥青质量为类球形石墨粉质量的2％，沥青的四氢呋喃溶液质量分数为10％；

S4、在氮气气体保护下，将步骤S3得到的类球形石墨粉在1200℃下进行炭化热处理2h，制得改性天然石墨负极材料。

对比例1：

将实施例1中所采用的高碳天然石墨整形处理为D50粒径为10μm的石墨粉，作为对比例1。

对比例2：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将高碳天然石墨、浓硝酸、甲酸、氢氟酸按溶质质量比为1：0.03：15：0.05在0℃搅拌混合30min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5-7，干燥；

S2、将步骤S1处理得到的天然石墨整形处理为D50粒径为10μm的石墨粉，得到改性天然石墨负极材料；

对比例3：

一种改性天然石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将高碳天然石墨、浓硝酸、甲酸、氢氟酸按溶质质量比为1：0.03：15：0.05在0℃搅拌混合30min，分离过滤出固态物，将固态物洗涤至pH值为5-7，干燥；

S2、将步骤S1处理得到的天然石墨整形处理为D50粒径为10μm的石墨粉；

S3、将步骤S2得到的石墨粉与葡萄糖及去离子水混合，搅拌蒸干；其中葡萄糖质量为石墨粉质量的0.1％，葡萄糖质量为去离子水的1％；

S4、在氮气气体保护下，将步骤S3得到的石墨粉以600℃进行炭化热处理6h，制得改性天然石墨负极材料。

性能对比实验：

将上述五个实施例制得的改性天然石墨负极材料及上述三个对比例的改性天然石墨负极材料分别制作成极片并作为工作电极、以LiPF₆/DMC+EC+DEC(1：1：1)为电解液装配成扣式电池，充放电截至电压为0.01～0.8V进行充放电，测定首次充电比容量、首次库伦效率、50周循环保持率，结果如表1所示。

表1首次充电比容量、首次库伦效率、50周循环保持率结果对比

由表1可知，本发明五个实施例所制得的改性天然石墨负极材料与对比例1中未改性天然石墨负极材料以及对比例2中仅扩层改性的天然石墨负极材料相比，首次充电比容量、首次库伦效率、50周循环保持率、倍率均有了较大的提升，说明氧化扩层以及表面包覆可以提高天然石墨的电化学性能。另外，五个实施例所制得的改性天然石墨负极材料与对比例3中改性天然石墨负极材料相比，说明通过流化床制得的均匀的包覆层可以避免电解液对石墨层间的腐蚀，提高首次库伦效率，同时均匀的包覆层在大电流充放电过程中起到储缓冲作用，消除天然石墨各向异性，提高倍率性能。

综上所述，本发明的制备方法工艺简单易控，成本低，易于工业化生产，，可以实现极薄包覆层的均匀包覆，避免包覆不均造成的电解液对石墨层间的腐蚀，提高循环稳定性，从而能够有效改善天然石墨负极材料的高倍率充放电性能及首次库伦效率。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。