專利名稱:球形石墨微粒子復(fù)合碳材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種復(fù)合碳材料,具體地說(shuō)是一種球形石墨微粒子復(fù) 合石碳材料及其制備方法。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)礦物加工方法,包括深度加工的石墨微粉產(chǎn)品,不能用于鋰
離子電池負(fù)極材料。21世紀(jì)新能源產(chǎn)業(yè)對(duì)新能源材料提出了更高的 使用要求,20世紀(jì)末期發(fā)現(xiàn)鋰離子嵌入石墨層間可形成多級(jí)層間化 合物,其導(dǎo)電率接近金屬銀,從而使石墨一躍成為電化學(xué)容量大,化 學(xué)及熱穩(wěn)定性好,充放電效率高的優(yōu)勢(shì)新能源材料。而這種優(yōu)勢(shì)的實(shí)
現(xiàn)即工業(yè)應(yīng)用,有賴于石墨產(chǎn)品改變其導(dǎo)電天然異向?qū)傩?;改變其?br>
體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。
在現(xiàn)有技術(shù)中,球形石墨改變了普通天然石墨的晶體結(jié)構(gòu)和微觀
組織,但只能使天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到40%左 右;如中科院物理所深入研究了天然石墨結(jié)構(gòu)中菱方晶體結(jié)構(gòu)的提 高,對(duì)石墨電化學(xué)容量提高的明顯的影響。球形化的工藝過(guò)程是使石 墨成為商品新能源材料的關(guān)鍵,是提高新能源材料價(jià)值必不可少?zèng)Q定 因素。另一方面球形化也導(dǎo)致天然石墨的基本結(jié)構(gòu)單元(basic Structure Unit,BSU)的取向性由一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向。這也是球 形石墨材料失去天然光澤而變?yōu)榘祷疑闹饕?。球形石墨與同等 條件的天然石墨或深加工產(chǎn)品相比,具有低比表面積,高堆積密度, 使電池的首次放電效率提高。所有這些本質(zhì)屬性的改變是使之成為高新技術(shù)新材料的關(guān)鍵。球形石墨不僅可用做鋰離子電池負(fù)極材料,也 可成為核石墨等各向同性石墨高端產(chǎn)品的原材料,如將天然的球形石 墨實(shí)施表面包裹一層含有有色金屬的碳材料,必然會(huì)提高石墨的晶體 結(jié)構(gòu),增加球形石墨用于鋰離子電池的負(fù)極材料的循環(huán)壽命。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料及其制備
方法,使其產(chǎn)品的體積密度顯著提高(振實(shí)密體度^1.02g/CM3),微 粒子的粒度達(dá)到30Mm以下,將其用于鋰離子二次電池負(fù)極材料時(shí)能 提高可逆比容量和循環(huán)的穩(wěn)定性。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料,為 球形石墨和有色金屬元素包覆層的復(fù)合石墨,具有球形或接近球形的 微觀特征,其特征在于是以接近核純石墨(99.999%《C》99.99%) 為原料,經(jīng)過(guò)PCS系統(tǒng)對(duì)石墨微粒子的對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán) 聚、包覆等表面的特殊加工處理,將天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20 %左右提高到80%以上,再將所述球形石墨的晶體層間包覆或插入 有過(guò)渡的有色金屬元素,包覆或插入的過(guò)渡金屬元素量為O. 05 — 3Mm, 所述包覆后的復(fù)合碳材料無(wú)天然光澤,為灰暗色,其基本結(jié)構(gòu)單元的 取向性由一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向,具有低比表面積,高堆積密度;
所述比表面積為5 — 7. 9 m7g;
所述振實(shí)密度為》1.06 g/ CM3;
所述復(fù)合碳材料的平均粒徑為3. 6 — 30Mm;
所述球形石墨的晶體層間包覆或插入有過(guò)渡的有色金屬元素為所述的PCS系統(tǒng)是指采用了由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤 構(gòu)成的粉碎機(jī),P—指包覆、覆蓋;C一指碳;S —指系統(tǒng),即對(duì)顆粒 包覆系統(tǒng)。該系統(tǒng)己超出了國(guó)家2504稅側(cè)第25章所規(guī)定的破碎、磨 碎及浮選等加工工藝,而代之以高壓、高溫狀態(tài)下的晶體層面彎曲、 聚合技術(shù)。
本發(fā)明的一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料的制備方法,包括如下 步驟
一、 采用由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一PCS 系統(tǒng),將天然石墨加入到粉碎機(jī)內(nèi),用400—800rpm的轉(zhuǎn)速,使石墨 的微粒通過(guò)對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán)聚、包覆等表面的處理,時(shí) 間30—60分鐘,反復(fù)循環(huán)加工兩遍以上,使天然石墨的菱方晶體結(jié) 構(gòu)有20%左右提高到80%以上,得到球形石墨;
二、 將得到的球形石墨進(jìn)行純化處理,并將提純過(guò)的石墨實(shí)施洗 滌至PH值呈中性,脫水烘干;
三、 將上述處理后的石墨微粒子與有色金屬混合包覆,形成包覆 石墨后進(jìn)行石墨化處理,得到復(fù)合碳材料;
石墨化處理,是將石墨放至380度的恒溫室內(nèi)保溫12小時(shí),然 后降溫至50—100度,保溫1小時(shí)。
所述純化處理采用夜相法(ZL: 200410010264.1)或超高純度提 純法(ZL: 200610127388.7)。
本發(fā)明所述純化處理采用的氧化劑是濃硫酸。所述包覆處理采用在含有過(guò)渡金屬溶液或凝膠中浸漬,或PCS
系統(tǒng)的包覆。
本發(fā)明所述的在金屬溶液或凝膠中浸漬狀態(tài)下,包覆用材料是
將有色金屬元素Ag、 Cu、 Ni的一種,摻雜在聚乙烯醇、丁苯橡膠乳 SBR、羧甲基纖維素CMC的一種內(nèi)實(shí)施浸漬。
在PCS系統(tǒng)中,包覆或插入的過(guò)渡的有色金屬元素是Ag、 Cu、 Ni的一種。
本發(fā)明人經(jīng)研究和總結(jié)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)證明,球形石墨能使電極中的 空隙閉合,可使鋰離子的擴(kuò)散更平滑地進(jìn)行。為解決這一問(wèn)題,本發(fā) 明人采用了由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一PCS 系統(tǒng),經(jīng)過(guò)PCS系統(tǒng)對(duì)石墨微粒子的對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán)聚、 包覆等表面的特殊加工處理,使得天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20% 左右提高到80%以上,在工作過(guò)程中因有密實(shí)(即壓縮)的作用和 效果,可使壓密電極上的物質(zhì)層密度規(guī)范在0.7—1.6gkm3,離子導(dǎo)電 率為l(T3s/Cm。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn),石墨球形化后,其石墨微粒子的顆粒越大,比 表面積越??;顆粒越小,其比表面積越大。結(jié)合本發(fā)明來(lái)說(shuō),所制成 的復(fù)合碳材料的平均粒徑為3. 6—30Mm,比表面積為5 — 7. 9 mVg。
本發(fā)明的有益效果是
球形石墨經(jīng)包裹后完全改變了普通天然石墨的晶體結(jié)構(gòu)和微觀 組織,使天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到80%以上,球 形化也導(dǎo)致天然石墨的基本結(jié)構(gòu)單元(Basic Structure Unit,BSU)的取向性由 一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向,從而使石墨成為電化學(xué)容量大, 化學(xué)及熱穩(wěn)定性好,充放電效率高的優(yōu)勢(shì),具有低比表面積,高堆積 密度,使電池的首次放電效率提高,不僅可用做鋰離子電池負(fù)極材料, 也可成為核石墨等各向同性石墨高端產(chǎn)品的原材料,制備工藝簡(jiǎn)單、 成本低、性能可靠。
具體實(shí)施例方式
一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料,為球形石墨和有色金屬包覆層 的復(fù)合石墨,球形石墨具有球形或接近球形的微觀特征,其不僅可用 做鋰離子電池負(fù)極材料,也可成為核石墨等各向同性石墨高端產(chǎn)品的 原材料。所述球形石墨微粒子復(fù)合碳材料,是以接近核純石墨
(99.999%《C>99.99%)為原料,經(jīng)過(guò)對(duì)原料的特殊加工后,再對(duì)球 形石墨的晶體層間包覆或插入有過(guò)渡的有色金屬元素而形成,包覆或 插入的過(guò)渡金屬元素量為0.05 — 3Mm,其復(fù)合碳材料無(wú)天然光澤,為 灰暗色,基本結(jié)構(gòu)單元的取向性由一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向,比表面 積為5 — 7. 9 mVg;振實(shí)密度為》1. 06 g/ CM3;平均粒徑為3. 6 — 30Mm。 本發(fā)明一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料的制備方法,包括如下步
驟
一、采用一種由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一 PCS系統(tǒng),將天然石墨加入到粉碎機(jī)內(nèi),用400—800rpm的轉(zhuǎn)速,使 石墨的微粒通過(guò)對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán)聚、包覆等表面的處理, 時(shí)間30—60分鐘,反復(fù)循環(huán)加工兩遍以上,將天然石墨的菱方晶體 結(jié)構(gòu)有20%左右提高到80%以上,得到球形石墨。二、 將得到的球形石墨進(jìn)行純化處理,并將提純過(guò)的石墨實(shí)施洗
滌至PH值呈中性,脫水烘干。
三、 將上述處理后的石墨微粒子與有色金屬混合包覆,形成包覆 石墨后進(jìn)行石墨化處理,得到復(fù)合碳材料。
石墨化處理,為在380度的恒溫室內(nèi)保溫12小時(shí),然后降溫至 50—100度,保溫1小時(shí)。
所述純化處理采用夜相法(ZL200410010264.1)或超高純度提純 法(ZL200610127388.7)。
本發(fā)明所述純化處理采用的氧化劑是濃硫酸。
本發(fā)明所述的包覆用材料是聚乙烯醇、丁苯橡膠乳SBR、強(qiáng)甲 基纖維素CMC的一種。
本發(fā)明球形石墨的晶體層間包覆或插入有過(guò)渡的有色金屬元素 為Ag、 Cu、 Ni的一種。
本發(fā)明所述的PCS系統(tǒng)是采用了由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉 碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī),該系統(tǒng)已超出了國(guó)家2504稅側(cè)第25章所規(guī)定的 破碎、磨碎及浮選等加工工藝,而代之以高壓、高溫狀態(tài)下的晶體層 面彎曲、聚合技術(shù)。
實(shí)施例1
用接近核純石墨為原料,粒徑100目,含碳量99.99%,將其加 入到由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一PCS系統(tǒng)內(nèi), 使用800rpm的轉(zhuǎn)速,使石墨的微粒通過(guò)對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、 團(tuán)聚、包覆等表面的處理,時(shí)間60分鐘,反復(fù)循環(huán)加工4遍,將天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到85%,得到球形石墨。將 得到的球形石墨進(jìn)行純化處理(純化處理方法依照夜相法ZL: 200410010264.1或超高純度提純法ZL: 200610127388.7的方法),并 將提純過(guò)的石墨實(shí)施洗滌至PH值呈中性,脫水烘干。將上述處理后 的石墨微粒子加入到濃度1M的AgN03溶液中在IO(TC的溫度下浸漬 處理24小時(shí),固液比1,過(guò)濾、烘干后,將上述石墨微粒子與含有 Ag質(zhì)量為1%金屬元素的聚乙烯醇水溶液混合2小時(shí),形成包覆石墨 后進(jìn)行石墨化處理,在380度的恒溫室內(nèi)保溫12小時(shí),然后降溫至 50—100度,保溫1小時(shí),得到復(fù)合碳材料。 實(shí)施例2
用接近核純石墨為原料,粒徑200目,含碳量99.99%,將其加 入到由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一PCS系統(tǒng)內(nèi), 使用600rpm的轉(zhuǎn)速,使石墨的微粒通過(guò)對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、 團(tuán)聚、包覆等表面的處理,時(shí)間30分鐘,反復(fù)循環(huán)加工6遍,將天 然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到90%,得到球形石墨。將 得到的球形石墨進(jìn)行純化處理,并將提純過(guò)的石墨實(shí)施洗滌至PH值 呈中性,脫水烘干。將上述處理后的石墨微粒子與有色金屬混合包覆, 即將處理后的石墨微粒子加入到濃度1M的AgN03溶液中在l(KTC的 溫度下浸漬處理24小時(shí),固液比1,過(guò)濾、烘干后,將上述石墨微 粒子與含有Nj質(zhì)量為1%金屬元素的羧甲基纖維素CMC溶液混合2 小時(shí),形成包覆石墨后進(jìn)行石墨化處理,在380度的恒溫室內(nèi)保溫 12小時(shí),然后降溫至50—100度,保溫1小時(shí),得到復(fù)合碳材料。實(shí)施例3
用接近核純石墨為原料,粒徑200目,含碳量99.999。%,將其加 入到由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一PCS系統(tǒng)內(nèi), 使用600rpm的轉(zhuǎn)速,使石墨的微粒通過(guò)對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、 團(tuán)聚、包覆等表面的處理,時(shí)間30分鐘,反復(fù)循環(huán)加工6遍,將天 然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到90%,得到球形石墨。將 得到的球形石墨進(jìn)行純化處理,并將提純過(guò)的石墨實(shí)施洗滌至PH值 呈中性,脫水烘干。將上述處理后的石墨微粒子與有色金屬混合包覆, 即將處理后的石墨微粒子加入到濃度1M的AgN03溶液中在IOO'C的 溫度下浸漬處理24小時(shí),固液比1,過(guò)濾、烘干后,將上述石墨微 粒子與含有Cu質(zhì)量為1%金屬元素的丁苯橡膠乳SBR溶液混合2小 時(shí),形成包覆石墨后進(jìn)行石墨化處理,在380度的恒溫室內(nèi)保溫12 小時(shí),然后降溫至50—100度,保溫1小時(shí),得到復(fù)合碳材料。
權(quán)利要求
1、一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料,為球形石墨和有色金屬包覆層的復(fù)合石墨,具有球形或接近球形的微觀特征,其特征在于是以接近核純石墨(99.999%≤C≥99.99%)為原料,經(jīng)過(guò)PCS系統(tǒng)對(duì)石墨微粒子的對(duì)撞、卷曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán)聚、包覆等表面的處理,將天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到80%以上,再將所述球形石墨的晶體層間包覆或插入有過(guò)渡的有色金屬元素,包覆或插入的過(guò)渡金屬元素量為0.05-3μm,所述包覆后的復(fù)合碳材料無(wú)天然光澤,為灰暗色,其基本結(jié)構(gòu)單元的取向性由一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向,具有低比表面積,高堆積密度;所述比表面積為5-7.9m2/g;所述振實(shí)密度為≥1.06g/CM3;所述復(fù)合碳材料的平均粒徑為3.6-30μm;所述球形石墨的晶體層間包覆或插入有過(guò)渡的有色金屬元素為Ag、Cu、Ni的一種。
2、 如權(quán)禾j要求1所述的一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料的制備 方法,包括如下步驟一、 采用由密齒結(jié)構(gòu)的定子和模塊形粉碎盤構(gòu)成的粉碎機(jī)一PCS 系統(tǒng),將夫然石墨加入到粉碎機(jī)內(nèi),用400—8(K)rpm的轉(zhuǎn)速,使石墨 的微粒通過(guò)對(duì)撞、巻曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán)聚、包覆等表面的處理,時(shí) 間30—60分鐘,反復(fù)循環(huán)加工兩遍以上,使天然石墨的菱方晶體結(jié) 構(gòu)有20%左右提高到80%以上,得到球形石墨;二、 將得到的球形石墨進(jìn)行純化處理,并將提純過(guò)的石墨實(shí)施洗滌至PH值呈中性,脫水烘干;三、將上述處理后的石墨微粒子與有色金屬混合包覆,形成包覆 石墨后進(jìn)行石墨化處理,得到復(fù)合碳材料。
全文摘要
一種球形石墨微粒子復(fù)合碳材料,為球形石墨和有色金屬包覆層的復(fù)合石墨,是以接近核純石墨為原料,經(jīng)過(guò)PCS系統(tǒng)對(duì)石墨微粒子的對(duì)撞、卷曲、揉搓、密實(shí)、團(tuán)聚、包覆等表面的處理,將天然石墨的菱方晶體結(jié)構(gòu)有20%左右提高到80%以上,再將所述球形石墨的晶體層間包覆或插入有過(guò)渡的有色金屬元素,包覆后的復(fù)合碳材料其基本結(jié)構(gòu)單元的取向性由一致取向轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)取向,具有低比表面積,高堆積密度。有益效果是球形石墨經(jīng)包裹后完全改變了普通天然石墨的晶體結(jié)構(gòu)和微觀組織,電化學(xué)容量大,化學(xué)及熱穩(wěn)定性好,充放電效率高,不僅可用做鋰離子電池負(fù)極材料,也可成為核石墨等各向同性石墨高端產(chǎn)品的原材料,制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、性能可靠。
文檔編號(hào)C01B31/00GK101298326SQ20081005019
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者候旭異, 候玉奇 申請(qǐng)人:洛陽(yáng)市冠奇工貿(mào)有限責(zé)任公司