电极材料的制备方法、电极及电池与流程

1.本发明涉及电池领域，具体地，涉及一种电极材料的制备方法、一种通过该电极材料的制备方法制作的电极以及一种电池。


背景技术：

2.在当今的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是化石能源。但随着经济的发展、人口的增加、社会生活水平的提高，按目前的世界能源探明储量和消费量计，这些能源资源仅可供全世界大约消费172年。人类必须未雨绸缪，及早寻求新的替代能源。在新能源发展中，锂离子电池因其工作电压高、能量密度大、循环寿命长等优点得到广泛的应用。而石墨具有脱嵌锂电位低、导电性好、价格低廉等优点，被广泛用作锂离子电池负极材料。
3.然而，石墨作为负极材料在使用时仍存在很多问题，比如容易发生溶剂分子共嵌入使得石墨片层剥离而导致循环性能差，以及取向性差且层间距小导致大电流工况下容易析锂。
4.针对石墨负极材料存在的问题，需要对其进行改性处理以提升性能，常规的改性方法包括表面处理、表面包覆、元素掺杂等。其中表面包覆包括无定形碳包覆，金属或非金属及其氧化物包覆等，而无定形碳又包括软碳和硬碳，通过硬碳包覆形成核壳结构，能够阻止石墨负极与溶剂直接接触以提升其循环稳定性，而且硬碳因为层间距大、各项同性度高，锂离子的扩散速度更快，能够有效改善石墨负极的倍率性能。
5.然而，现有的硬碳包覆技术方案得到的电极材料颗粒团聚明显、比表面积大、包覆剂成本高且倍率性能提升相对有限。因此，如何提供一种比表面积小、制备成本低廉且倍率性能高的电极材料的制备方法，成为本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种电极材料的制备方法、一种通过该电极材料的制备方法制作的电极以及一种电池，该电极材料的制备方法制得的电极材料比表面积小、制备成本低廉且倍率性能高。
7.为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种电极材料的制备方法，所述电极材料的制备方法包括：
8.将酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒混合，得到中间混合物；
9.对所述中间混合物进行碳化处理，得到所述电极材料。
10.作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣包括玉米秸秆酶解残渣和麦秆酶解残渣中的至少一者。
11.作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣的中值粒径为1μm-3μm。
12.作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂为热塑性树脂。
13.作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛中的至少一种。
14.作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂为颗粒状，且所述粘结剂的中值粒径为2μm-4μm。
15.作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒为人造石墨颗粒或天然石墨颗粒。
16.作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒的中值粒径为10μm-14.0μm。
17.作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒的比表面积为1.0-2.0m2/g。
18.作为本发明的一种可选实施方式，所述碳化处理的碳化温度为900℃-1200℃。
19.作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣的质量份数为2-5份，所述粘结剂的质量份数为0.4-0.8份，所述石墨颗粒的质量份数为100份。
20.作为本发明的第二个方面，提供一种电极，应用于电池，所述电极包括酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒，所述粘结剂粘结在所述酶解残渣和所述石墨颗粒之间。
21.作为本发明的第三个方面，提供一种电池，所述电池具有正极和负极，且所述负极为前面所述的电极。
22.在本发明提供的电极材料的制备方法、电极以及电池中，选用酶解残渣作为包覆剂，酶解残渣材料资源丰富且价格低廉，能够有效降低电极材料(负极材料)的制备成本。并且，酶解残渣中易挥发成分的含量低，在进行碳化处理时的热解过程中不易团聚，形成的电极材料中孔隙少、比表面积小，有利于提升电极材料的循环性能。此外，酶解残渣中的氮元素含量高，在热解过程会形成氮掺杂硬碳，能够进一步提升电极材料的倍率性能。
附图说明
23.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
24.图1是本发明实施例提供的电极材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
26.为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种电极材料的制备方法，如图1所示，所述电极材料的制备方法包括：
27.步骤s1、将酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒混合，得到中间混合物；
28.步骤s2、对所述中间混合物进行碳化处理(即在隔绝氧气的环境下升至高温(例如升温至900℃以上))，得到所述电极材料。
29.可选地，对所述中间混合物进行碳化处理，具体为：将所述中间混合物置于高温碳化炉中，并利用所述高温碳化炉对所述中间混合物进行碳化处理。
30.本发明提供的电极材料的制备方法中选用酶解残渣作为包覆剂，酶解残渣材料资源丰富、容易获取且价格低廉，能够有效降低电极材料(负极材料)的制备成本。并且，酶解残渣中易挥发成分的含量低，在进行碳化处理时的热解过程中不易团聚，形成的电极材料中孔隙少、比表面积小，有利于提升电极材料的循环性能。此外，酶解残渣中的氮元素含量高，在热解过程会形成氮掺杂硬碳，能够进一步提升电极材料的倍率性能。
31.作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣包括玉米秸秆酶解残渣和麦秆酶解残渣中的至少一者。
32.作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣的中值粒径(d50)为1μm-3μm。
33.作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂为热塑性树脂。
34.作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂包括聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚甲醛(pom)中的至少一种。
35.作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂为颗粒状，且所述粘结剂的中值粒径为2μm-4μm。
36.作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒为人造石墨颗粒或天然石墨颗粒。
37.作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒的中值粒径为10μm-14.0μm。
38.作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒的比表面积(specific surface area，ssa)为1.0-2.0m2/g。
39.作为本发明的一种可选实施方式，所述碳化处理的碳化温度为900℃-1200℃。
40.作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣的质量份数为2-5份，所述粘结剂的质量份数为0.4-0.8份，所述石墨颗粒的质量份数为100份。
41.为便于技术人员理解，以下提供几个本发明提供的电极材料的制备方法的具体应用实施例。
42.实施例1：
43.选用中值粒径为1.5μm的玉米秸秆酶解残渣、中值粒径为3μm的pp-聚丙烯颗粒(粘结剂)以及中值粒径为12μm、比表面积为1.5m2/g的人造石墨颗粒为原料，将人造石墨颗粒、玉米秸秆酶解残渣和聚丙烯(pp)颗粒按质量比为100:3:0.8的比例混合均匀，得到中间混合物；
44.然后，将中间混合物置于高温碳化炉中，并在氮气氛围下以2℃/min的升温速率将炉温升高至400℃，再以5℃/min的升温速率将炉温升高至1100℃并保温5h(小时)，之后将炉温降低至室温，得到电极材料(即掺氮硬碳包覆的石墨负极材料)；
45.将得到的电极材料作为活性物质制得负极极片，并将负极极片与隔膜、正极片经过卷绕的方式组装成电芯(标称容量2ah)，再经过顶封、注液、静置、化成、整形等工序，制备得到锂离子电池。
46.实施例2：
47.选用中值粒径为2.0μm的玉米秸秆酶解残渣、中值粒径为4.0μm的pe-聚乙烯颗粒(粘结剂)以及中值粒径为11.0μm、比表面积为1.6m2/g的人造石墨颗粒为原料，将人造石墨颗粒、玉米秸秆酶解残渣和聚乙烯(pe)颗粒按质量比为100:4:1.0的比例混合均匀，得到中间混合物；
48.然后，将中间混合物置于高温碳化炉中，并在氮气氛围下以2℃/min的升温速率将炉温升高至400℃，再以5℃/min的升温速率将炉温升高至1000℃并保温5h，之后将炉温降低至室温，得到电极材料(即掺氮硬碳包覆的石墨负极材料)；
49.将得到的电极材料作为活性物质制得负极极片，并将负极极片与隔膜、正极片经过卷绕的方式组装成电芯(标称容量2ah)，再经过顶封、注液、静置、化成、整形等工序，制备
得到锂离子电池。
50.实施例3：
51.选用中值粒径为2.0μm的麦秆酶解残渣、中值粒径为3μm的pe-聚乙烯颗粒(粘结剂)以及中值粒径为12μm、比表面积为1.5m2/g的人造石墨颗粒为原料，将人造石墨颗粒、玉米秸秆酶解残渣和聚乙烯(pe)颗粒按质量比为100:3:0.5的比例混合均匀，得到中间混合物；
52.然后，将中间混合物置于高温碳化炉中，并在氮气氛围下以2℃/min的升温速率将炉温升高至400℃，再以5℃/min的升温速率将炉温升高至1100℃并保温5h，之后将炉温降低至室温，得到电极材料(即掺氮硬碳包覆的石墨负极材料)；
53.将得到的电极材料作为活性物质制得负极极片，并将负极极片与隔膜、正极片经过卷绕的方式组装成电芯(标称容量2ah)，再经过顶封、注液、静置、化成、整形等工序，制备得到锂离子电池。
54.实施例4：
55.选用中值粒径为2.0μm的麦秆酶解残渣、中值粒径为3μm的ps-聚苯乙烯颗粒(粘结剂)以及中值粒径为12μm、比表面积为1.5m2/g的人造石墨颗粒为原料，将人造石墨颗粒、玉米秸秆酶解残渣颗粒和聚苯乙烯(ps)颗粒按质量比为100:3:0.8的比例混合均匀，得到中间混合物；
56.然后，将中间混合物置于高温碳化炉中，并在氮气氛围下以2℃/min的升温速率将炉温升高至400℃，之后以5℃/min的升温速率将炉温升高至1100℃并保温5h，之后将炉温降低至室温，得到电极材料(即掺氮硬碳包覆的石墨负极材料)；
57.将得到的电极材料作为活性物质制得负极极片，并将负极极片与隔膜、正极片经过卷绕的方式组装成电芯(标称容量2ah)，再经过顶封、注液、静置、化成、整形等工序，制备得到锂离子电池。
58.为体现本发明提供的电极材料的制备方法相较于现有技术的优越性，以下提供一种现有技术的对比例作为与本发明提供的电极材料的制备方法的具体应用实施例的对照。
59.对比例1：
60.将环氧树脂与水按100:100的质量比充分混合均匀得到液体a；
61.再将环氧树脂与三亚乙基四胺以100:100的质量比混合制得固化剂，将固化剂加入到液体a中混合均匀得到液体b；
62.通过挤压力的作用将液体b润湿在中值粒径为10μm的天然石墨粉末表面，得到树脂与石墨的复合材料a，其中，人造石墨粉末与液体b的质量比为2:1；
63.将复合材料a置于炭化炉内，在氮气气氛下以3℃/min的升温速率将炉温升高至850℃进行烧结12h，之后将炉温冷却至室温，得到硬碳包覆的石墨负极材料；
64.将得到的掺氮硬碳包覆的石墨负极材料作为活性物质制得负极极片，并将负极极片与隔膜、正极片经过卷绕的方式组装成电芯(标称容量2ah)，再经过顶封、注液、静置、化成、整形等工序，制备得到锂离子电池。
[0065][0066]
表1-1
[0067]
表1-1所示为本发明提供的电极材料的制备方法的具体应用实施例生产的锂离子电池与对比例1生产的锂离子电池的数据对比情况。由表格可知，本发明提供的方法制备的电极材料与现有技术方案制备的电极材料相比，粒径相对较小，无明显团聚现象，比表面积有明显降低。并且，利用本发明提供的方法制备的电极材料制得的锂离子电池与现有技术方案制得的锂离子电池相比，循环和倍率性能均有明显提升。
[0068]
作为本发明的第二个方面，提供一种电极，应用于电池，所述电极通过本发明实施例提供的电极材料的制备方法制得，具体地，所述电极包括酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒，所述粘结剂粘结在所述酶解残渣和所述石墨颗粒之间。
[0069]
本发明提供的电极选用酶解残渣作为包覆剂，酶解残渣材料资源丰富、容易获取且价格低廉，能够有效降低电极材料的制备成本。并且，酶解残渣中易挥发成分的含量低，在进行碳化处理时的热解过程中不易团聚，形成的电极材料中孔隙少、比表面积小，有利于提升电极材料的循环性能。此外，酶解残渣中的氮元素含量高，在热解过程会形成氮掺杂硬碳，能够进一步提升电极的倍率性能。
[0070]
作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣包括玉米秸秆酶解残渣和麦秆酶解残渣中的至少一者。
[0071]
作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣的中值粒径为1μm-3μm。
[0072]
作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂为热塑性树脂。
[0073]
作为本发明的一种可选实施方式，所述粘结剂包括聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚甲醛(pom)中的至少一种。
[0074]
作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒为人造石墨颗粒或天然石墨颗粒。
[0075]
作为本发明的一种可选实施方式，所述石墨颗粒的中值粒径为10μm-14.0μm。
[0076]
作为本发明的一种可选实施方式，所述酶解残渣的质量份数为2-5份，所述粘结剂的质量份数为0.4-0.8份，所述石墨颗粒的质量份数为100份。
[0077]
作为本发明的第三个方面，提供一种电池，所述电池具有正极和负极，且所述负极为本发明实施例提供的电极。
[0078]
在本发明提供的电池中，负极的电极材料选用酶解残渣作为包覆剂，酶解残渣材料资源丰富、容易获取且价格低廉，能够有效降低电极材料的制备成本。并且，酶解残渣中易挥发成分的含量低，在进行碳化处理时的热解过程中不易团聚，形成的电极材料中孔隙少、比表面积小，有利于提升电极材料的循环性能。此外，酶解残渣中的氮元素含量高，在热
解过程会形成氮掺杂硬碳，能够进一步提升电池负极的倍率性能。
[0079]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种电极材料的制备方法，其特征在于，所述电极材料的制备方法包括：将酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒混合，得到中间混合物；对所述中间混合物进行碳化处理，得到所述电极材料。2.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述酶解残渣包括玉米秸秆酶解残渣和麦秆酶解残渣中的至少一者。3.根据权利要求2所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述酶解残渣的中值粒径为1μm-3μm。4.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为热塑性树脂。5.根据权利要求4所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛中的至少一种。6.根据权利要求4所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为颗粒状，且所述粘结剂的中值粒径为2μm-4μm。7.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒为人造石墨颗粒或天然石墨颗粒。8.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨颗粒的中值粒径为10μm-14.0μm。9.根据权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的碳化温度为900℃-1200℃。10.根据权利要求1至8中任意一项所述的电极材料的制备方法，其特征在于，所述酶解残渣的质量份数为2-5份，所述粘结剂的质量份数为0.4-0.8份，所述石墨颗粒的质量份数为100份。11.一种电极，应用于电池，其特征在于，所述电极包括酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒，所述粘结剂粘结在所述酶解残渣和所述石墨颗粒之间。12.一种电池，其特征在于，所述电池具有正极和负极，且所述负极为权利要求11所述的电极。

技术总结
本发明提供一种电极材料的制备方法，包括：将酶解残渣、粘结剂和石墨颗粒混合，得到中间混合物；对中间混合物进行碳化处理，得到电极材料。本发明提供的电极材料的制备方法中选用酶解残渣作为包覆剂，酶解残渣材料资源丰富且价格低廉，能够有效降低电极材料的制备成本。并且，酶解残渣中易挥发成分的含量低，在进行碳化处理时的热解过程中不易团聚，形成的电极材料中孔隙少、比表面积小，有利于提升电极材料的循环性能。此外，酶解残渣中的氮元素含量高，在热解过程会形成氮掺杂硬碳，能够进一步提升电极材料的倍率性能。本发明还提供一种电极和一种电池。电极和一种电池。电极和一种电池。


技术研发人员：严康 蒋治亿 卢林
受保护的技术使用者：江苏天合储能有限公司
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/21