人造石墨材料及其制备方法、锂离子电池负极材料和锂离子电池与流程

0.10)。
14.在一些实施方式中，所述保护气氛包括氩气、氦气和氖气中的一种或多种。
15.在一些实施方式中，所述石墨化的过程所处的环境中氧含量控制在100ppm以下。
16.在一些实施方式中，所述石墨化的过程中控制所述混合料的厚度为0.5cm-5.0cm。
17.在一些实施方式中，所述激光的功率为1kw-10kw，输出效率为80％-100％；
18.在一些实施方式中，所述激光的扫描方式为线扫描或面扫描；
19.在一些实施方式中，所述石墨化的过程中使用激光调制器对激光进行调制；更优地，所述激光调制器的调制频率为1khz-10khz；
20.在一些实施方式中，所述石墨化的过程中使所述混合料与所述激光之间以1-5cm/s的速度相对运动；更优地，所述石墨化的过程中使所述混合料以1-5cm/s的速度经过所述激光的扫描范围；
21.在一些实施方式中，所述激光的扫描时间为10s-30s，温度为3100℃-3400℃。
22.一种人造石墨材料，所述人造石墨材料的石墨化度大于96.7％，石墨层间距小于0.3357nm，比表面积小于2.0m2/g。
23.一种锂离子电池负极材料，包括上述的人造石墨材料。
24.一种锂离子电池，包括上述的锂离子电池负极材料。
25.本发明的有益效果：
26.(1)本发明在保护气氛环境中，通过在激光作用下，碳材料吸收激光光子能量，使得其碳原子电子能量的提高，随后电子通过与晶格的弛豫过程把吸收的部分能量传递给相邻碳原子层，大量的能量在极短的时间内注入碳原子层，使其温度急剧升高，急速诱导碳材料杂乱碳原子进行重新排列；同时，光敏树脂类添加剂在激光诱导作用下，其光敏活性交联点及光敏基团可以快速吸收激光光子能量，产生较多活性自由基，并在激光作用下发生光聚合加成反应，形成一定的空间网状结构，随着对激光光子能量进一步吸收，之后逐步裂解得到树脂基碳及气态游离硅，随后气态游离硅的快速扩散可以在碳原子层发生硅碳反应，降低反应的活化能，加速石墨化进程，形成规则有序的石墨晶体结构，得到石墨化程度均匀且高石墨化度及高比容量的人造石墨材料。
27.(2)本发明的人造石墨材料的制备方法简单，能源损耗低，极大缩短石墨化加工时间，能够做到连续快速石墨化加工，且易于大规模工业化生产。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，作详细说明如下。
具体实施方式
29.为了便于理解本发明，下面结合实施例的方式对本发明的技术方案做详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。
30.但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
31.除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
32.如本文所用之术语：
[0033]“由
……
制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0034]
连接词“由
……
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由
……
组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
[0035]
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
[0036]
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
[0037]“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说a组分的质量份为a份，b组分的质量份为b份，则表示a组分的质量和b组分的质量之比a：b。或者，表示a组分的质量为ak，b组分的质量为bk(k为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
[0038]“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，a和/或b包括(a和b)和(a或b)。
[0039]
一实施方式的一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括：
[0040]
s100、将包括碳材料和光敏树脂类添加剂在内的原料混合，得到混合料；
[0041]
在一些实施方式中，碳材料选用易石墨化碳材料；在具体的示例中，碳材料包括但不限于沥青焦、石油焦和针状焦等易石墨化碳材料中的一种或多种。
[0042]
在一些实施方式中，光敏树脂类添加剂包括有机硅树脂如甲基mq硅树脂、甲基乙烯基mq硅树脂和甲基mqh300硅树脂等；该甲基mq硅树脂和甲基乙烯基mq硅树脂这一系列有机硅树脂相比其它系列的有机硅树脂，成本更低，且常温下以固态稳定存在，易生产粉碎加工，后期能够与需要石墨化加工的焦原料均匀混合包覆。
[0043]
在另一些实施方式中，上述光敏树脂类添加剂还包括脲醛树脂、聚醚丙烯酸酯、酚醛树脂、密胺树脂和聚氨酯丙烯酸酯等中的一种或多种。
[0044]
上述碳材料和光敏树脂类添加剂的质量比优选为1：(0.01-0.10)，得到的人造石墨材料的石墨化度和比容量更高。
[0045]
在一些实施方式中，上述碳材料和光敏树脂类添加剂的粒度d50各自为6μm-20μm，不仅满足锂离子电池材料的使用要求，而且有利于激光扫描石墨化加工，及获得良好的石墨化效果。
[0046]
s200、在保护气氛环境中，将所述混合料在激光作用下进行石墨化。
[0047]
在一些实施方式中，上述保护气氛可列举为氩气、氦气或氖气等；本发明通过利用保护气氛的作用，确保石墨化的过程在低氧环境下优选氧含量控制在100ppm以下，可以有效控制石墨化后得到的人造石墨材料的比表面积，并能大幅度降低石墨化的过程中能源的损耗，极大的降低生产成本。
[0048]
进一步地，本发明通过采用刮刀将上述碳材料和光敏树脂类添加剂的混合料进行定厚处理，使石墨化的过程中混合料的厚度为0.5cm-5.0cm，有效避免使用石墨坩埚装料导致物料均匀性差以及石墨化加工过程能耗大和石墨化加工周期长的问题，更有利于进行石墨化加工，进一步缩短石墨化加工时间和降低能耗，获得更高石墨化度和更高比容量的人造石墨材料。
[0049]
上述激光的功率可选择为1kw-10kw，输出效率可选择为80％-100％；需要说明的是，激光的功率的选择需要考虑待石墨化加工的原料用量的多少、石墨化加工过程中是否会破坏碳材料的结构及石墨化加工性能如石墨化度等；激光的功率过大(超过10kw)，会导致石墨化过程中温度过高，且会对碳材料的结构造成破坏；激光的功率过小(低于1kw)，则石墨化过程中会达不到3100以上的温度，且石墨化加工性能差，石墨化度低。上述激光的扫描方式可以为线扫描，也可以为面扫描。
[0050]
优选地，上述激光扫描过程中使用激光调制器对激光进行电光调制，且调制频率为1khz-10khz，以确保激光的高功率稳定性输出。
[0051]
优选地，上述石墨化的过程中使上述混合料以1cm/s-5cm/s的速度经过激光扫描的范围，且激光的扫描时间为10s-30s，温度为3100℃-3400℃时，可达到更好的石墨化效果。
[0052]
需要说明的是，对于上述碳材料来说，其对激光的吸收具有非金属的特征，而对激光的能量传递则具有金属的特征。在保护气氛环境中，当激光产生的能量被碳材料表面层捕捉吸收后，激光光子能量即粒子的过剩能量-束缚电子的激发能、自由电子的动能以及多余的声子被传递给碳原子使其电子能量增高，随后电子通过与晶格的弛豫过程把吸收的部分能量传递给相邻碳原子层，大量的能量在极短的时间内注入碳原子层，使其温度急剧升高，急速诱导碳材料杂乱碳原子进行重新排列；同时，光敏树脂类添加剂在激光诱导作用下，其光敏活性交联点及光敏基团可以快速吸收激光光子能量，产生较多活性自由基，并在激光作用下发生光聚合加成反应，形成一定的空间网状结构，随着对激光光子能量进一步吸收，之后逐步裂解得到树脂基碳及气态游离硅，随后气态游离硅的快速扩散可以在碳原子层发生硅碳反应，降低反应的活化能，加速石墨化进程，形成规则有序的石墨晶体结构，得到石墨化程度均匀且高石墨化度及高比容量性的人造石墨材料；另外，本发明的人造石墨材料的制备方法简单，能源损耗低，石墨化过程中温度可达3000℃以上，极大缩短石墨化加工时间，能够做到连续快速石墨化加工，且易于大规模工业化生产。
[0053]
另一实施方式的一种人造石墨材料，由上述的人造石墨材料的制备方法制得。
[0054]
针对锂离子电池使用的常规人造石墨负极材料要求达到比表面积＜2.5m2/g、石墨化度＞91％、石墨层间距(d002)＜0.3365nm、首次比容量＞340mah/g、首次库伦效率＞94％等的基本指标；本发明通过采用上述激光与光敏树脂类添加剂相互结合的方式，得到比表面积＜2.0m2/g、石墨化度＞96.7％、石墨层间距(d002)＜0.3357nm、首次比容量＞357.5mah/g、首次库伦效率＞96％的高石墨化度、高比容量及石墨化程度均匀的人造石墨
材料。
[0055]
另一实施方式的一种锂离子电池负极材料，包括上述的人造石墨材料。
[0056]
一种锂离子电池，包括上述的锂离子电池负极材料。
[0057]
下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0058]
实施例1
[0059]
s1：取普通石油焦粉碎至粒度d50在10μm左右，取甲基mq硅树脂粉碎至粒度d50为8μm左右。
[0060]
s2：将s1粉碎好的石油焦和甲基mq硅树脂按照质量比为1：0.03混合均匀，得到混合料。
[0061]
s3：从保护气入口向激光隧道连续石墨化炉内通入高纯氩气保护气体，使氧含量降低至80ppm以下。
[0062]
s4：将s2得到的混合料投入进料仓，同时向输料管道通入高纯氩气，以赶走进料时带入的空气，混合料由输料管道输送至石墨化腔体内。
[0063]
s5：使用刮刀将进入石墨化腔体内的混合料先进行定厚处理，使混合料的厚度为1cm；然后开启激光器电源，激光功率设为6kw，激光输出效率选择为95％，激光的扫描方式设为线扫描，同时在激光输出光路中使用激光调制器对激光进行电光调制，调制频率为5khz，使定厚处理后的混合料按照2.0cm/s的速度经过激光的辐射范围进行石墨化加工，时间20秒，该石墨化加工的过程中温度达3300℃。
[0064]
s6：将经s5石墨化加工处理后的物料冷却后送入储料罐，即得人造石墨负极材料。
[0065]
实施例2
[0066]
s1：取普通针状焦粉碎至粒度d50在15μm左右，取甲基mq硅树脂和脲醛树脂均粉碎至粒度d50为12μm左右。
[0067]
s2：将s1粉碎好的针状焦、脲醛树脂和甲基mq硅树脂按照质量比为1：0.02：0.03混合均匀，得到混合料。
[0068]
s3：从保护气入口向激光隧道连续石墨化炉内通入高纯氩气保护气体，使氧含量降低至80ppm以下。
[0069]
s4：将s2得到的混合料投入进料仓，同时向输料管道通入高纯氩气，以赶走进料时带入的空气，混合料由输料管道输送至石墨化腔体内。
[0070]
s5：使用刮刀将进入石墨化腔体内的混合料先进行定厚处理，使混合料的厚度为1.2cm；然后开启激光器电源，激光功率设为5kw，激光输出效率选择为98％，激光的扫描方式设为面扫描，同时在激光输出光路中使用激光调制器对激光进行电光调制，调制频率为6khz，使定厚处理后的混合料按照3.0cm/s的速度经过激光的辐射范围进行石墨化加工，时间15秒，该石墨化加工的过程中温度达3300℃。
[0071]
s6：将经s5石墨化处理后的物料冷却后送入储料罐，即得人造石墨负极材料。
[0072]
实施例3
[0073]
本实施例与实施例2的区别在于：将针状焦、脲醛树脂和甲基mq硅树脂的质量比1：
0.02：0.03替换为1：0.04：0.06；其它同实施例2。
[0074]
实施例4
[0075]
s1：取普通沥青焦粉碎至粒度d50在17μm左右，取甲基mq硅树脂、脲醛树脂和聚醚丙烯酸酯均粉碎至粒度d50为13μm左右。
[0076]
s2：将s1粉碎好的沥青焦、脲醛树脂、甲基mq硅树脂和聚醚丙烯酸酯按照质量比为1：0.02：0.01：0.02混合均匀，得到混合料。
[0077]
s3：从保护气入口向激光隧道连续石墨化炉内通入高纯氩气保护气体，使氧含量降低至80ppm以内。
[0078]
s4：将s2得到的混合料投入进料仓，同时向输料管道通入高纯氩气，以赶走进料时带入的空气，混合料由输料管道输送至石墨化腔体内。
[0079]
s5：使用刮刀将进入石墨化腔体内的混合料先进行定厚处理，使混合料的厚度为1.5cm；然后开启激光器电源，激光功率设为6.5kw，激光输出效率选择为95％，激光的扫描方式设为面扫描，同时在激光输出光路中使用激光调制器对激光进行电光调制，调制频率为6.5khz，使定厚处理后的混合料按照2.5cm/s的速度经过激光的辐射范围进行石墨化加工，时间15秒，该石墨化加工的过程中温度达3300℃。
[0080]
s6：将经s5石墨化处理后的物料冷却后送入储料罐，即得人造石墨负极材料。
[0081]
实施例5
[0082]
本实施例与实施例4的区别在于：将沥青焦、脲醛树脂、甲基mq硅树脂和聚醚丙烯酸酯的质量比1：0.02：0.01：0.02替换为1：0.04：0.02：0.04；其它同实施例4。
[0083]
实施例6
[0084]
本实施例与实施例1的区别在于：将s5中：混合料的厚度1cm替换为0.5cm，石墨化加工时间20s替换为10s，温度3300℃替换为3100℃；其它同实施例1。
[0085]
实施例7
[0086]
本实施例与实施例1的区别在于：将s5中：混合料的厚度1cm替换为3cm，石墨化加工时间20s替换为30s，温度3300℃替换为3400℃；其它同实施例1。
[0087]
实施例8
[0088]
本实施例与实施例1的区别在于：将s2中：石油焦和甲基mq硅树脂的质量比为1：0.03替换为1：0.01，将s5中：混合料的厚度1cm替换为5cm；其它同实施例1。
[0089]
对比例1
[0090]
本对比例与实施例1的区别在于：去掉甲基mq硅树脂；其它同实施例1。
[0091]
对比例2
[0092]
s1：取普通针状焦粉碎至粒度d50在15μm左右，取甲基mq硅树脂和脲醛树脂均粉碎至粒度d50为12μm左右。
[0093]
s2：将s1粉碎好的针状焦、脲醛树脂和甲基mq硅树脂按照质量比为1：0.02：0.03混合均匀，得到混合料。
[0094]
s3：将s2得到的混合料装进石墨化坩埚，石墨坩埚为内空圆柱坩埚，直径650cm，高850cm，内孔直径550cm。
[0095]
s4：采用内串炉进行石墨化加工，将s3装好混合料的石墨化坩埚平铺在内串炉内，上下部采用保温料保温，保温层厚度为650mm左右；然后对装进石墨化坩埚的混合料进行送
电，送电功率为23500kw，送电时间为20h。
[0096]
s5：对s4送电结束后物料进行随炉冷却，15天后出炉，将坩埚内的物料倾倒出即得人造石墨负极材料。
[0097]
对比例3
[0098]
s1：取普通针状焦粉碎至粒度d50在15μm左右，取甲基mq硅树脂和脲醛树脂均粉碎至粒度d50为12μm左右。
[0099]
s2：将s1粉碎好的针状焦、脲醛树脂和甲基mq硅树脂按照质量比为1：0.02：0.03混合均匀，得到混合料。
[0100]
s3：将s2得到的混合料装进石墨化坩埚，石墨坩埚为内空圆柱坩埚，直径650cm，高850cm，内孔直径550cm。
[0101]
s4：采用艾奇逊炉进行石墨化加工，将s3装好混合料的石墨化坩埚竖直置于炉腔内，上下部采用保温料保温，保温层厚度为850mm左右；然后对装进石墨化坩埚的混合料进行送电，送电功率为23500kw，送电时间为48h。
[0102]
s5：对s4送电结束后物料进行随炉冷却，24天后出炉，将坩埚内的物料倾倒出即得人造石墨负极材料。
[0103]
对比例4
[0104]
本对比例与对比例2的区别在于：将脲醛树脂替换为碳化硅，将甲基mq硅树脂替换为碳化硼；其它同对比例2。
[0105]
对比例5
[0106]
本对比例与对比例3的区别在于：将脲醛树脂替换为碳化硅，将甲基mq硅树脂替换为碳化硼；其它同对比例3。
[0107]
对比例6
[0108]
本对比例与实施例2的区别在于：将脲醛树脂替换为碳化硅，将甲基mq硅树脂替换为碳化硼；其它同实施例2。
[0109]
对比例7
[0110]
取普通针状焦粉碎至粒度d50在8μm左右，在120℃预热处理4h后，与1.5wt.％硼酸 10wt.％脲醛树脂的水溶液充分混合制成悬浮液，在150℃的条件下喷雾干燥制粒，将上述颗粒料在氮气的保护下，升温至3000℃后保温10小时，降至室温，得到人造石墨负极材料。
[0111]
对上述实施例1-8及对比例1-7得到的人造石墨负极材料的比表面积、石墨化度、首次比容量及首次库伦效率等关键指标进行检测，测试结果如下表1所示。
[0112]
上述比表面积采用氮气置换的方法检测，设备采用高博jw－dx比表面仪；
[0113]
振实密度采用康塔振实(1000次)方法检测；
[0114]
石墨层间距采用由帕纳科x’pert x-射线衍射仪检测；
[0115]
石墨化度计算公式为：(0.344-d002)/(0.344-0.3354)
×
100％，d002为石墨层间距；
[0116]
首次比容量和首次库伦效率按照gb/t 24533-2009测试方法检测，充电过程：0.1c到0.001v，再0.2c到0.001v，放电过程：0.1c到1.5v。
[0117]
表1
[0118][0119][0120]
(1)由上述表1中实施例1-8及对比例1数据可以得出：本发明通过光敏树脂类添加剂与激光相互作用下进行石墨化加工得到的人造石墨负极材料石墨层间距更小，且固定碳含量、石墨化度、首次比容量和首次库伦效率，明显优于不使用光敏树脂类添加剂，直接激光作用下进行石墨化加工得到的人造石墨负极材料的固定碳含量、首次比容量和首次库伦效率。
[0121]
(2)由上述表1中实施例2及对比例2-5数据可以得出：本发明通过在激光作用下进行石墨化加工得到的人造石墨负极材料石墨层间距更小，且固定碳含量、石墨化度、首次比容量和首次库伦效率，明显优于使用内串炉或艾奇逊炉进行石墨化加工得到的人造石墨负极材料的固定碳含量、首次比容量和首次库伦效率。
[0122]
(3)由上述表1中实施例2及对比例6、7数据可以得出：本发明通过光敏树脂类添加剂与激光相互作用下进行石墨化加工得到的人造石墨负极材料石墨层间距更小，且固定碳含量、石墨化度、首次比容量和首次库伦效率，明显优于通过无机添加剂与激光相互作用下进行石墨化加工得到的人造石墨负极材料的固定碳含量、首次比容量和首次库伦效率，也明显优于采用对比文件7的方法得到的人造石墨负极材料的固定碳含量、首次比容量和首次库伦效率。
[0123]
综上，本发明的制备方法制备得到的石墨负极材料具有高石墨化度、高比容量、高首效和低石墨层间距，其中，石墨化度＞96.7％，石墨层间距＜0.3357nm，首次比容量＞357.5mah/g，首次库伦效率＞96％。
[0124]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该

背景技术：
部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。