石墨纳米纤维及其制备方法、负极材料和电池与流程

本申请涉及电池材料制备，尤其涉及一种石墨纳米纤维及其制备方法、负极材料和电池。

背景技术：

1、目前，石墨由于具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高、嵌锂电位低等优点，成为主流的商业化锂离子电池负极材料。而天然石墨具有价格低廉、储量大等优点，因而在电池负极材料中的应用受到越来越多的关注。但天然石墨存在缺陷、杂质较多、循环性能较差的问题，因而在制备电池负极材料过程中需要对天然石墨进行碳化处理以减少杂质、提高循环性能，但碳化处理的天然石墨成本高且不环保。

2、此外，也有直接将天然石墨与人造石墨混合作为电池负极材料，利用参混人造石墨的方法来改善天然石墨的缺陷，此方法虽然可在一定程度上降低电池负极材料的生产成本，但其使用的天然石墨仍然需要经过碳化处理工序、人造石墨也需要经过石墨化处理，并且存在导电性及倍率性能较差的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供一种石墨纳米纤维及其制备方法、负极材料和电池，旨在提供一种无需进行石墨化和碳化工序的石墨纳米纤维的制备方法，以制备高电化学性能的石墨纳米纤维。

2、第一方面，本申请实施例提供一种用于制备石墨纳米纤维的纺丝溶液，包括粉料和溶剂，按质量百分比计，所述粉料包括65％～95％的石墨混合材料、5％～35％的聚丙烯腈，所述溶剂包括水或有机溶剂。

3、在一些实施例中，所述石墨混合材料包括人造石墨和天然石墨的混合物，其中，按质量百分比计，所述人造石墨的占比为30％～40％，所述天然石墨的占比为60％～70％；

4、所述人造石墨的平均粒径为17～20μm，所述天然石墨的平均粒径为15～18μm。

5、在一些实施例中，所述粉料的质量和所述溶剂的体积的比为(40～50)g：(80～100)ml；和/或，

6、所述有机溶剂包括甲苯、二甲苯、四氢呋喃、三氯甲烷中一种或多种。

7、第二方面，本申请实施例提供一种石墨纳米纤维的制备方法，包括：

8、将如上所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到前驱体纤维；

9、将所述前驱体纤维依次进行预氧化和热处理，冷却得到石墨纳米纤维。

10、在一些实施例中，所述将所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到前驱体纤维，包括：

11、将所述纺丝溶液吸入带针头的注射器中，并将注射器置于注射泵上；

12、控制喷丝头与收集器之间的距离、纺丝溶液的流速、极板间的电压进行纺丝，得到前驱体纤维。

13、在一些实施例中，所述注射器的针头的内径为0.3～1mm，所述喷丝头与收集器之间的距离为10～25cm，所述纺丝溶液的流速为0.3～1.5ml/h，所述极板间的电压为15～35kv。

14、在一些实施例中，所述预氧化包括：

15、将所述前驱体纤维从收集器的表面取下，在含氧气氛下、180～250℃处理2～6h，使所述前驱体纤维中的材料交联。

16、在一些实施例中，所述热处理包括：

17、将所述预氧化后的所述前驱体纤维在保护气氛下、温度为1000～2500℃处理2～10h。

18、在一些实施例中，所述含氧气氛包括空气或氧气；和/或，

19、所述保护气氛包括氢气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气中一种或多种。

20、第三方面，本申请实施例提供一种石墨纳米纤维，所述石墨纳米纤维包括纤维内芯和附着在所述纤维内芯上的石墨混合材料，其中，

21、所述纤维内芯的材质包括碳，所述石墨混合材料包括人造石墨和天然石墨的混合物。

22、第四方面，本申请实施例提供了一种负极材料，所述负极材料包括如上所述的石墨纳米纤维的制备方法制得的石墨纳米纤维或如上所述的石墨纳米纤维。

23、第五方面，本申请实施例提供了一种电池，所述电池包括负极材料，所述负极材料包括如上所述的石墨纳米纤维的制备方法制得的石墨纳米纤维或如上所述的石墨纳米纤维。

24、在本申请的实施例中，通过将石墨混合材料、聚丙烯腈和溶剂按比例混合均匀得到纺丝溶液、后续通过静电纺丝、预氧化和热处理，然后冷却至室温，得到石墨纳米纤维，其中，天然石墨不需要经过碳化处理工序、人造石墨不需要经过石墨化处理工序，降低了石墨负极材的制备成本，并且石墨纳米纤维材料具有较好的导电性和倍率性能。

技术特征：

1.一种用于制备石墨纳米纤维的纺丝溶液，其特征在于，包括粉料和溶剂，按质量百分比计，所述粉料包括65％～95％的石墨混合材料、5％～35％的聚丙烯腈，所述溶剂包括水或有机溶剂。

2.根据权利要求1所述的纺丝溶液，其特征在于，所述石墨混合材料包括人造石墨和天然石墨的混合物，其中，按质量百分比计，所述人造石墨的占比为30％～40％，所述天然石墨的占比为60％～70％；

3.根据权利要求1所述的纺丝溶液，其特征在于，所述粉料的质量和所述溶剂的体积的比为(40～50)g：(80～100)ml；和/或，

4.一种石墨纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的石墨纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述将所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到前驱体纤维，包括：

6.根据权利要求5所述的石墨纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述注射器的针头的内径为0.3～1mm，所述喷丝头与收集器之间的距离为10～25cm，所述纺丝溶液的流速为0.3～1.5ml/h，所述极板间的电压为15～35kv。

7.根据权利要求4所述的石墨纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述预氧化包括：

8.根据权利要求7所述的石墨纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述热处理包括：

9.根据权利要求8所述的石墨纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述含氧气氛包括空气或氧气；和/或，

10.一种石墨纳米纤维，其特征在于，所述石墨纳米纤维包括纤维内芯和附着在所述纤维内芯上的石墨混合材料，其中，

11.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括如权利要求4～9任一项所述的石墨纳米纤维的制备方法制得的石墨纳米纤维或权利要求10所述的石墨纳米纤维。

12.一种电池，其特征在于，所述电池包括负极材料，所述负极材料包括如权利要求4～9任一项所述的石墨纳米纤维的制备方法制得的石墨纳米纤维或如权利要求10所述的石墨纳米纤维。

技术总结本申请公开了一种石墨纳米纤维及其制备方法、负极材料和电池。所述用于制备石墨纳米纤维的纺丝溶液包括粉料和溶剂，按质量百分比计，所述粉料包括65％～95％的石墨混合材料、5％～35％的聚丙烯腈，所述溶剂包括水或有机溶剂。本申请通过将石墨混合材料、聚丙烯腈和溶剂按比例混合均匀得到纺丝溶液、并通过静电纺丝、预氧化和热处理，然后冷却至室温，得到石墨纳米纤维作为电池负极材料，其中，天然石墨不需要经过碳化处理工序、人造石墨不需要经过石墨化处理工序，降低了电池负极材料的制备成本，并且石墨纳米纤维材料具有较好的导电性和倍率性能。技术研发人员：刘倩,吴伟,王斌受保护的技术使用者：惠州亿纬锂能股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/17