本申請屬于石墨負(fù)極材料，特別涉及一種快充石墨負(fù)極材料及其制造方法和應(yīng)用，具體為快充石墨負(fù)極材料與其制造方法、快充石墨負(fù)極及鋰離子電池和涉電設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、鋰離子在高倍率下嵌入石墨時，易造成電極材料結(jié)構(gòu)變形以及固體電解質(zhì)界面(sei)不穩(wěn)定的問題，使得鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性降低。因此，開發(fā)能夠在高倍率下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及具備優(yōu)異電化學(xué)性能的石墨負(fù)極材料對于提高鋰離子電池的快充性能極為關(guān)鍵。

2、目前，相關(guān)領(lǐng)域公開了通過優(yōu)化本征結(jié)構(gòu)、表面包覆和雜原子化學(xué)修飾等技術(shù)措施來提升石墨負(fù)極的快充性能。其中，雜原子化學(xué)修飾是在石墨碳骨架結(jié)構(gòu)中引入氮、氧、磷等雜原子以改變其電負(fù)性，從而調(diào)控電解液組分在石墨負(fù)極材料表面的吸附與分解，使之便于形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面(sei)，有效提升石墨負(fù)極快充性能。

3、然而，現(xiàn)有雜原子化學(xué)修飾通常面臨如下問題：一是普遍通過調(diào)控碳前驅(qū)體結(jié)構(gòu)引入雜原子，操作中難以精準(zhǔn)控制雜原子的摻雜位置和濃度，易造成石墨材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，影響鋰離子在石墨的嵌入/脫嵌動力學(xué)；二是修飾過程中容易引入其他雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能與電解液發(fā)生副反應(yīng)，降低電池的充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性；三是技術(shù)工藝復(fù)雜、成本大且缺乏普適性，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請通過公開一種快充石墨負(fù)極材料及其制造方法和應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)有雜原子化學(xué)修飾易破壞石墨材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、易引入雜質(zhì)以及技術(shù)要求高和普適性差的技術(shù)問題。

2、為了達(dá)成上述目的，本申請采用的技術(shù)方案是：

3、本申請的第一方面提供了一種快充石墨負(fù)極材料，該快充石墨負(fù)極材料的主要組成是：

4、具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨；

5、和，s2-s6的低聚硫分子；

6、所述s2-s6的低聚硫分子化學(xué)鍵合在所述表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)上。

7、優(yōu)選的實施方案中，所述快充石墨負(fù)極材料中化學(xué)鍵合的硫含量為0.1-10?wt%。

8、本申請的第二方面提供了本申請快充石墨負(fù)極材料的制造方法，該制造方法包含步驟：

9、提供表面預(yù)氧化石墨；

10、惰性氣氛下，使所述表面預(yù)氧化石墨和含氮化合物在600-800?℃下混合熱處理1-4?h后，升溫至900-1400?℃下繼續(xù)熱處理1-4?h，制造得到具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨；

11、惰性氣氛下，使所述具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨和硫源物質(zhì)在150-180?℃下混合熱處理2-20?h后，升溫至200-600?℃下繼續(xù)熱處理2-20?h，即得快充石墨負(fù)極材料。

12、優(yōu)選的實施方案中，所述硫源物質(zhì)選自硫單質(zhì)、二硫化碳、硫化氫、硫代硫酸鈉或者硫脲的任一種。

13、優(yōu)選的實施方案中，所述具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨與硫源物質(zhì)混合熱處理時，所述具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨與所述硫源物質(zhì)的質(zhì)量比為1:0.5-16。

14、優(yōu)選的實施方案中，所述含氮化合物選自三聚氰胺、尿素、硫脲、單氰胺、雙氰胺中的至少一種。

15、優(yōu)選的實施方案中，所述表面預(yù)氧化石墨和含氮化合物混合熱處理時，所述表面預(yù)氧化石墨與所述含氮化合物的質(zhì)量比為1:0.5-10。

16、優(yōu)選的實施方案中，所述表面預(yù)氧化石墨的制造方法選自氧等離子體處理、酸溶液熱處理、空氣熱處理中的至少一種。

17、本申請的第三方面提供了一種快充石墨負(fù)極，該快充石墨負(fù)極包含本申請的快充石墨負(fù)極材料。

18、本申請的第四方面提供了一種鋰離子電池，該鋰離子電池包含本申請的快充石墨負(fù)極。

19、本申請的第五方面提供了一種涉電設(shè)備，該涉電設(shè)備包含本申請的鋰離子電池。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請實施例的優(yōu)點或者有益效果至少包含：

21、本申請?zhí)峁┑目斐涫?fù)極材料通過在具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨表面上化學(xué)鍵合s2-s6的低聚硫分子，從而使硫摻雜行為局限于石墨表面上，有效保持石墨固有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使制備的石墨負(fù)極材料保留了石墨的本征結(jié)構(gòu)；同時，表面化學(xué)鍵合的s2-s6的低聚硫分子參與固體電解質(zhì)界面的形成，不僅有助于形成更穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面，有效提升石墨負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，而且有助于提升鋰離子傳輸動力學(xué)，提升快充性能的同時顯著提高鋰電池的初始容量和倍率性能。其中，實施例測試結(jié)果表明，相比于普通石墨負(fù)極材料，本申請?zhí)峁┑目斐涫?fù)極材料能夠在5?c電流密度下產(chǎn)生約20%的容量保持率的提升；同時，在1?c電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)800圈(容量保持率為94.1%)。

技術(shù)特征：

1.一種快充石墨負(fù)極材料，其特征在于，主要組成是：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快充石墨負(fù)極材料，其特征在于，所述快充石墨負(fù)極材料中化學(xué)鍵合的硫含量為0.1-10?wt%。

3.一種快充石墨負(fù)極材料的制造方法，其特征在于，包含：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述硫源物質(zhì)選自硫單質(zhì)、二硫化碳、硫化氫、硫代硫酸鈉或者硫脲的任一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨和硫源物質(zhì)混合熱處理時，所述具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨與所述硫源物質(zhì)的質(zhì)量比為1:0.5-16。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述含氮化合物選自三聚氰胺、尿素、硫脲、單氰胺、雙氰胺中的至少一種；

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述表面預(yù)氧化石墨的制造方法選自氧等離子體處理、酸溶液熱處理、空氣熱處理中的至少一種。

8.一種快充石墨負(fù)極，其特征在于，包含權(quán)利要求1-2任一項所述的快充石墨負(fù)極材料或者權(quán)利要求3-7任一項所述制造方法制造的快充石墨負(fù)極材料。

9.一種鋰離子電池，其特征在于，包含權(quán)利要求8所述的快充石墨負(fù)極。

10.一種涉電設(shè)備，其特征在于，包含權(quán)利要求9所述的鋰離子電池。

技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種快充石墨負(fù)極材料及其制造方法和應(yīng)用，屬于石墨負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域。本申請快充石墨負(fù)極材料的組成包含具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨和S2?S6的低聚硫分子，所述S2?S6的低聚硫分子化學(xué)鍵合在所述表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)上；所述快充石墨負(fù)極材料是通過具備內(nèi)部完整結(jié)構(gòu)以及表面拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)的石墨與硫源物質(zhì)在惰性氣氛下混合熱處理得到。本申請快充石墨負(fù)極材料不僅保持了石墨固有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使制備的快充石墨材料保留其本征結(jié)構(gòu)，而且石墨表面化學(xué)鍵合的S2?S6的低聚硫分子參與固體電解質(zhì)界面的形成過程中可使得固體電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性提高，從而賦予石墨負(fù)極材料優(yōu)異的快充性能和良好的電化學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：劉紹鴻,紀(jì)軼煒,岑宗恒,易錟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30