本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋰離子電池是新一代的綠色高能電池，具有重量輕、體積比能量高、工作電壓高、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代通訊、IT和便攜式電子產(chǎn)品(如移動電話、筆記本電腦、攝像機(jī)等)的理想化學(xué)電源，也是電動車優(yōu)選的動力電源，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
電極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一，而碳質(zhì)材料是人們最早開始研究并應(yīng)用于鋰離子電極的材料，至今仍受到廣泛關(guān)注。碳質(zhì)材料主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：比容量高(200～400mAh/g)，電極電位低(<1.0V vs Li+/Li)，循環(huán)效率高(>95％)，循環(huán)壽命長，成本較低。
目前研究較多的碳質(zhì)負(fù)極材料有人造石墨、天然石墨、中間相炭微球(MCMB)、高比容量碳化物、石油焦、熱解樹脂碳、納米碳材料等。這些碳質(zhì)材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如：
石墨具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，具有良好的電壓平臺。但石墨對電解液非常敏感，與溶劑相容性差；此外，石墨的大電流充放電能力低。同時，在充放電循環(huán)過程中，石墨層間距變化較大；而且還會發(fā)生鋰與有機(jī)溶劑共同插入石墨層間以及有機(jī)溶劑的進(jìn)一步分解，容易造成石墨層逐步剝落、石墨顆粒發(fā)生崩裂和粉化，從而降低石墨材料壽命。表面氧化、碳包覆、表面沉積金屬或金屬氧化物等方法可有效的改善石墨與電解液相容性差的問題，碳基材料的球形化也能改善材料的大電流充放電性能。
中間相炭微球(MCMB)的嵌鋰容量比較大。其表面光滑，比表面積較小，可以減少在充放電過程中電極邊界反應(yīng)的發(fā)生，從而降低第一次充電過程中的容量損失；另外，小球具有片層狀的結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子從球的各個方向嵌入和脫嵌，解決了石墨類材料由于各向異性過高引起的石墨片溶漲、塌陷和不能快速大電流放電的問題。它存在的主要問題是比容量不高，熱處理溫度高使得其制作成本高。高比容量碳化物具有很高的嵌鋰容量，同時其熱處理溫度比傳統(tǒng)石墨結(jié)構(gòu)的碳要低很多，一般均低于1000℃，因此引起了人們的關(guān)注。但是部分裂解的炭化物存在電極電位過高、電壓滯后(即嵌鋰電位小于脫鋰電位)以及首次循環(huán)不可逆容量大等缺點(diǎn)，目前尚未工業(yè)化應(yīng)用。
石油焦具有非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，呈渦輪層狀，含有一定量的雜質(zhì)，難以制備高純碳，但資源豐富，價格低廉。石油焦的最大理論化學(xué)嵌鋰容量為LiC12，電化學(xué)比容量為186mAh/g。但石油焦本身作為電池負(fù)極材料的性能很差，這主要是由于插鋰時，碳質(zhì)材料會發(fā)生體積膨脹，降低電池壽命。
納米碳質(zhì)材料由于具有獨(dú)特的納米微觀結(jié)構(gòu)及形貌，可望更加有效地提高材料的可逆嵌鋰容量和循環(huán)壽命，從而成為新一代高性能化學(xué)電源的嶄新材料。納米碳質(zhì)材料主要由于管徑(或晶粒)為納米級尺寸，管與管(或晶粒與晶粒)之間相互交錯的縫隙也是納米數(shù)量級，使其具有優(yōu)越的嵌鋰特性，鋰離子不僅可嵌入到管內(nèi)各管徑間、管芯(如碳納米管)，而且可嵌入到管間(或晶粒間)的縫隙之中，為鋰離子提供了大量的嵌入空間位置，從而有利于提高鋰離子電池的充放電容量、循環(huán)壽命及電流密度。由于納米碳質(zhì)材料具有傳統(tǒng)碳質(zhì)材料無法比擬的高比容量，已成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料的研究重點(diǎn)。但納米碳質(zhì)材料作為鋰離子電池的負(fù)極活性物質(zhì)時，存在電壓滯后現(xiàn)象和較大的不可逆容量損失，此外，其充放電電位平臺不是很明顯。
但是這些碳質(zhì)材料都存在著與電解液的相容性差、較大的不可逆容量損失、高倍率放電性能差、以及高溫下容易出現(xiàn)安全隱患等問題。因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明為解決上述問題，提供一種電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
一種電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法，所述電極材料由以下重量份的原料組成：
石墨18-20份，鉑金粉0.5-0.8份，碳化硅0.3-0.7份，鈦白粉0.3-0.6份，氧化鋯0.7-1.0份，碳化鎢粉0.9-1.2份，二氧化硅0.4-0.6份，乙炔黑1.2-1.5份。
所述石墨是天然鱗片墨、微晶石墨、人造石墨或中間相炭微球。
所述石墨顆粒平均粒徑為25～30um。
一種電動車專用鋰電池電極材料制備方法，包括以下步驟：
(1)將上述原料混合均勻并加入到高速粉碎機(jī)內(nèi)，在1000至1200rpm的轉(zhuǎn)速下粉碎30至40分鐘得到混合粉料；
(2)將混合粉料加入到低速沖擊式球化粉碎機(jī)內(nèi)，在800至1000rpm的轉(zhuǎn)速下整形和球形化30至60分鐘，得到球形石墨；
(3)利用氧化劑對將球形石墨進(jìn)行純化處理；
(4)將純化處理后的物料制成氧化石墨水溶液，超聲處理后得到不同二維尺度的氧化石墨水溶液；
(5)將步驟(4)得到的不同二維尺度的氧化石墨水溶液按比例混合，超聲分散均勻后得到具有分散尺度的復(fù)合氧化石墨水溶液，然后通過還原法得到具有分散尺度的石墨水溶液，再經(jīng)干燥處理后得到具有分散尺度的復(fù)合石墨；
(6)將干燥后的復(fù)合石墨在濃度0.1M至0.5M的摻雜多價態(tài)過渡金屬鹽溶液中浸漬36至48小時，反應(yīng)溫度60至80℃，然后過濾、脫水烘干；
(7)將上述處理后的復(fù)合石墨與5～10％的有機(jī)物混合包覆形成包覆石墨；
(8)將包覆石墨進(jìn)行碳化處理或石墨化處理，在保護(hù)氣氛中加熱600至700℃，保溫4至5小時，然后降至室溫。
所述步驟(3)中純化處理采用的氧化劑是雙氧水、過氧乙酸、二氧化氯、氯氣、氫氧化鈉、濃硫酸、硝酸、濃鹽酸、高氯酸、其中任意兩種或三種氧化劑的混合物。
所述步驟(6)中摻雜多價態(tài)過渡金屬元素為Ag、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、V、Mo或Sn，鹽溶液采用硝酸鹽，碳酸鹽，硫酸鹽、鹽酸鹽或含有摻雜元素的絡(luò)鹽溶液。
所述步驟(7)中的有機(jī)物混合包覆采用的包覆材料為水溶性的聚乙烯醇、丁苯橡膠乳SBR、羧甲基纖維素CMC、有機(jī)溶劑系的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈。
本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明所提供的電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法，具有工藝簡單、成本低廉、產(chǎn)量高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過該方法獲得的碳材質(zhì)電極材料不僅具有高的導(dǎo)電率和比容量，并且循環(huán)性能獲得大幅提高，其特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)更賦予其更多更新更好的性能。
具體實(shí)施方式：
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1
一種電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法，所述電極材料由以下重量份的原料組成。
石墨18份，鉑金粉0.5份，碳化硅0.3份，鈦白粉0.3份，氧化鋯0.7份，碳化鎢粉0.9份，二氧化硅0.4份，乙炔黑1.2份。
實(shí)施例2
一種電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法，所述電極材料由以下重量份的原料組成。
石墨19份，鉑金粉0.6份，碳化硅0.5份，鈦白粉0.4份，氧化鋯0.8份，碳化鎢粉1.0份，二氧化硅0.5份，乙炔黑1.3份。
實(shí)施例3
一種電動車專用鋰電池電極材料及其制備方法，所述電極材料由以下重量份的原料組成。
石墨20份，鉑金粉0.8份，碳化硅0.7份，鈦白粉0.6份，氧化鋯1.0份，碳化鎢粉1.2份，二氧化硅0.6份，乙炔黑1.5份。
所述石墨是天然鱗片墨、微晶石墨、人造石墨或中間相炭微球。
所述石墨顆粒平均粒徑為25～30um。
一種電動車專用鋰電池電極材料制備方法，包括以下步驟：
(1)將上述原料混合均勻并加入到高速粉碎機(jī)內(nèi)，在1000至1200rpm的轉(zhuǎn)速下粉碎30至40分鐘得到混合粉料；
(2)將混合粉料加入到低速沖擊式球化粉碎機(jī)內(nèi)，在800至1000rpm的轉(zhuǎn)速下整形和球形化30至60分鐘，得到球形石墨；
(3)利用氧化劑對將球形石墨進(jìn)行純化處理；
(4)將純化處理后的物料制成氧化石墨水溶液，超聲處理后得到不同二維尺度的氧化石墨水溶液；
(5)將步驟(4)得到的不同二維尺度的氧化石墨水溶液按比例混合，超聲分散均勻后得到具有分散尺度的復(fù)合氧化石墨水溶液，然后通過還原法得到具有分散尺度的石墨水溶液，再經(jīng)干燥處理后得到具有分散尺度的復(fù)合石墨；
(6)將干燥后的復(fù)合石墨在濃度0.1M至0.5M的摻雜多價態(tài)過渡金屬鹽溶液中浸漬36至48小時，反應(yīng)溫度60至80℃，然后過濾、脫水烘干；
(7)將上述處理后的復(fù)合石墨與5～10％的有機(jī)物混合包覆形成包覆石墨；
(8)將包覆石墨進(jìn)行碳化處理或石墨化處理，在保護(hù)氣氛中加熱600至700℃，保溫4至5小時，然后降至室溫。
所述步驟(3)中純化處理采用的氧化劑是雙氧水、過氧乙酸、二氧化氯、氯氣、氫氧化鈉、濃硫酸、硝酸、濃鹽酸、高氯酸、其中任意兩種或三種氧化劑的混合物。
所述步驟(6)中摻雜多價態(tài)過渡金屬元素為Ag、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、V、Mo或Sn，鹽溶液采用硝酸鹽，碳酸鹽，硫酸鹽、鹽酸鹽或含有摻雜元素的絡(luò)鹽溶液。
所述步驟(7)中的有機(jī)物混合包覆采用的包覆材料為水溶性的聚乙烯醇、丁苯橡膠乳SBR、羧甲基纖維素CMC、有機(jī)溶劑系的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選例，并不用來限制本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。