碳负极材料前驱体及其应用、碳负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池与流程
本发明涉及锂离子电池，具体涉及一种碳负极材料前驱体及其应用、一种碳负极材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池。
背景技术：
1、锂离子电池具有高容量、高能量密度、高循环稳定性和环境友好等特点，是新一代的绿色能源。随着电动汽车、便携式设备的快速发展，不仅增大了锂离子电池的需求量，而且对其性能提出了更高的要求。提高材料的电化学性能以及对其进行结构设计成为提升锂离子电池储能能力的有效途径。作为锂电池的重要组成部分，大部分负极材料需要通过改性来提高电化学活性。
2、针状焦作为一种石油加工产品，由于其独特的针状结构、高导电性、易石墨化和良好的石墨晶体结构，成为人造石墨的优质原料。但是，由于锂离子插层存储动力学和体积膨胀效应，比容量和倍率性能仍然有提升空间。为了提升石墨的电化学性能，一方面从优质焦的制备原料和生产工艺上改进(例如，cn202010646862.7等)；另一方面，已经有较多关于结构设计和修饰的研究，如表面碳包覆、颗粒尺寸调节等(例如，cn201710616466.8、cn202010207606.8、cn201711351496.7、cn202011552394.3等)。然而，优质针状焦的生产在原料和制备工艺上往往需要苛刻的要求，对大规模工业放大是一种挑战。此外，采用碳包覆和颗粒尺寸筛分的方法，对原料针状焦本身的结构和性能没有明显改善，制约了锂电池负极材料性能的提升。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有基于针状焦的碳负极材料存在锂离子传输路径长、传输阻力较大，以及由碳负极材料制得的锂离子电池存在克容量和首次放电效率低等问题，提供一种碳负极材料前驱体及其应用、一种碳负极材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池，该碳负极材料前驱体通过将针状焦的微观性能和宏观性能进行结合，再协同不同类型的针状焦，使得含有该碳负极材料前驱体的锂离子电池具有高容量和高倍率性能。
2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种碳负极材料前驱体，所述碳负极材料前驱体包括：第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)，其中，a1、a2和a3分别表示焦粒的各向异性结构中大片和纤维结构的总含量；k1、k2和k3分别表示焦粒的长宽比；
3、其中，a1≠a2≠a3，且k1≠k2≠k3；
4、其中，所述第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)的重量比为10-20：60-70：15-25。
5、优选地，a1＜a2＜a3，且k1＜k2＜k3。
6、优选地，所述第一针状焦满足：70％≤a1＜80％，且1.68≤k1＜1.78；所述第二针状焦满足：80％≤a2＜90％，且1.78≤k2＜1.85；所述第三针状焦满足：90％≤a3＜100％，且1.85≤k3＜1.95。
7、本发明第二方面提供一种第一方面提供的碳负极材料前驱体在碳负极材料中的应用。
8、本发明第三方面提供一种碳负极材料，所述碳负极材料包括：第一方面提供的碳负极材料前驱体，以及包覆沥青。
9、优选地，基于所述碳负极材料的总重量，所述碳负极材料前驱体的含量为80-95wt％，优选为85-90wt％；所述包覆沥青的含量为5-20wt％，优选为10-15wt％。
10、优选地，所述包覆沥青由高温沥青经石墨化处理得到。
11、本发明第四方面提供一种碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
12、(1)将第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)进行混合，得到碳负极材料前驱体；其中，a1、a2和a3分别表示焦粒的各向异性结构中大片和纤维结构的总含量；k1、k2和k3分别表示焦粒的长宽比；其中，a1≠a2≠a3，且k1≠k2≠k3；
13、(2)将所述碳负极材料前驱体和高温沥青进行包覆处理，得到包覆产物；
14、(3)将所述包覆产物在非氧化气氛中进行石墨化处理，得到碳负极材料；
15、其中，所述第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)的重量比为10-20：60-70：15-25。
16、本发明第五方面提供一种第三方面提供的碳负极材料，或者，第四方面提供的制备方法制得的碳负极材料在锂离子电池中的应用。
17、本发明第六方面提供一种锂离子电池，所述锂离子电池含有第三方面提供的碳负极材料，或者，第四方面提供的制备方法制得的碳负极材料。
18、相比现有技术，本发明具有以下优势：
19、(1)本发明提供的碳负极材料前驱体，通过将不同微观特点和宏观特点的不同针状焦进行调控，其中，微观特点是指焦粒的各向异性结构中大片和纤维结构的总含量，宏观特点是指焦粒的长宽比，使得该碳负极材料前驱体，一方面具有较高的可石墨化程度，另一方面可缩短锂离子传输路径，减少传输阻力；尤其是通过调控不同针状焦的参数及其重量比，使得该碳负极材料前驱体具有较高的性能；
20、(2)将本发明提供的碳负极材料前驱体制备碳负极材料，实现了不同针状焦的分类使用，拓展了原料的选择范围，提高了材料的利用率，降低生产成本，在锂离子电池领域具有很高的应用潜能；
21、(3)本发明提供的碳负极材料的制备方法，简化工艺流程，便于工业化生产；尤其是通过调控包覆处理和石墨化处理的条件，进一步提高碳负极材料的性能；
22、(4)将本发明提供的碳负极材料用于锂离子电池，提高了锂离子电池的电化学性能，尤其是首次放电比容量和首次库伦效率。
技术特征：
1.一种碳负极材料前驱体，其特征在于，所述碳负极材料前驱体包括：第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)，其中，a1、a2和a3分别表示焦粒的各向异性结构中大片和纤维结构的总含量；k1、k2和k3分别表示焦粒的长宽比；
2.根据权利要求1所述的碳负极材料前驱体，其中，a1＜a2＜a3，且k1＜k2＜k3；
3.权利要求1或2所述的碳负极材料前驱体在碳负极材料中的应用。
4.一种碳负极材料，其特征在于，所述碳负极材料包括：权利要求1或2所述的碳负极材料前驱体，以及包覆沥青。
5.根据权利要求4所述的碳负极材料，其中，基于所述碳负极材料的总重量，所述碳负极材料前驱体的含量为80-95wt％，优选为85-90wt％；所述包覆沥青的含量为5-20wt％，优选为10-15wt％；
6.根据权利要求4或5所述的碳负极材料，其中，所述碳负极材料的比表面积≤2m2/g；振实密度≥1g/cm3。
7.一种碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述混合的过程包括：(1-1)将所述第一针状焦(a1，k1)和第二针状焦(a2，k2)混合后，得到第一混合料；(1-2)将所述第一混合料和第三针状焦(a3，k3)进行混合；
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述碳负极材料前驱体和高温沥青的重量比为80-95：5-20，优选为85-90：10-15；
10.权利要求4-6中任意一项所述的碳负极材料，或者，权利要求7-9中任意一项所述的制备方法制得的碳负极材料在锂离子电池中的应用。
11.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括：权利要求4-6中任意一项所述的碳负极材料，或者，权利要求7-9中任意一项所述的制备方法制得的碳负极材料。
技术总结
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种碳负极材料前驱体及其应用、一种碳负极材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池。所述碳负极材料前驱体包括：第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)，其中，a1、a2和a3分别表示焦粒的各向异性结构中大片和纤维结构的总含量；k1、k2和k3分别表示焦粒的长宽比；其中，a1≠a2≠a3，且k1≠k2≠k3；其中，所述第一针状焦(a1，k1)、第二针状焦(a2，k2)和第三针状焦(a3，k3)的重量比为10‑20：60‑70：15‑25。该碳负极材料前驱体用于锂离子电池，提高了锂离子电池的首次放电比容量和首次库伦效率。
技术研发人员：李琦,罗洋,范启明,刘自宾,阎龙,施洋
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23