【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池，具体涉及一种石墨负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、二次电池具有工作电压高，能量密度大，无记忆效应等优势，目前在新能源汽车上得到广泛应用。
2、作为二次电池四大主材之一的负极材料，对电池的各项性能有重要影响，其比容量以及工作电压直接决定着电池的能量密度和工作电压。目前的主流负极材料是石墨类负极材料，其导电性好、循环稳定性好、成本低廉，同时相比其他钛基、锡基等负极材料具有更低的嵌锂电位，有利于提升电池工作电压。然而，石墨负极材料在当前的水系加工体系中，存在材料分散不佳、稳定性差、极片粘接力差等问题。
3、因此，如何优化石墨负极材料的分散效果，提升其稳定性，同时改善极片的粘结力，从而提升电池的整体性能，是当前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种石墨负极材料及其制备方法和应用。本专利技术采用氮元素和氧元素共掺杂的石墨负极材料，氮元素和氧元素的存在形式可以进一步改善石墨负极材料在水系体系中的分散效果，提升材料的分散均匀性及稳定性，同时能适当减少粘结剂和悬浮剂的使用量，降低制造成本。此外，氮氧元素与粘结剂和悬浮剂的成键作用，可以有效提升极片的剥离强度，防止负极活性材料在循环过程中发生剥落，提升电池的循环性能。
2、为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种石墨负极材料，所述石墨负极材料掺杂有氮元素和氧元素；
4、
5、本专利技术采用氮元素和氧元素共掺杂的石墨负极材料，氮元素和氧元素的存在形式可以进一步改善石墨负极材料在水系体系中的分散效果，提升材料的分散均匀性及稳定性，同时可以有效提升极片的剥离强度，防止负极活性材料在循环过程中发生剥落，提升电池的循环性能。
6、具体地，氮氧元素能够与悬浮剂形成氢键作用，提升悬浮剂对石墨负极材料的悬浮作用效果，从而优化石墨负极材料的分散均匀性，抑制石墨沉降，提升其稳定性，能适当减少粘结剂(例如丁苯橡胶)和悬浮剂(例如羧甲基纤维素)的使用量，降低制造成本。进一步地，粘结剂能和氮氧共掺杂的石墨负极材料、悬浮剂形成氢键作用，从而使得负极活性材料、悬浮剂及粘结剂结合的更牢固，并抑制粘结剂的上浮情况，提升极片的剥离强度，提升电池的循环性能。
7、需要说明的是，石墨氮(graphitic nitrogen)是一种在石墨中存在的原子类型，是指较高的电负性(负电荷特性)和空间角度，石墨氮在石墨材料中的含量通常不高，但其具有高度的化学活性，可广泛用于材料制备、电气导电性和化学催化等领域。
8、需要说明的是，吡啶氮(pyridinic nitrogen)是指吡啶或其衍生物(如吗啡)中的氮原子，是指电子的局部化程度变得较低，吡啶氮可在催化剂、电子学和生化领域中发挥重要作用。
9、需要说明的是，吡啶酮氮是指吡啶酮氮吡啶酮氮c5h5no中的氮原子，该物质用于合成利尿药物托拉塞米或其他药物中间体。
10、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述氮元素和氧元素的掺杂原子数占所述石墨负极材料的总原子数的0.1-1％，例如可以是0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％，优选为0.3-0.8％。
11、本专利技术中，若氮元素和氧元素的掺杂量过多，则导致较多的副反应发生，对电池的循环性能有不利影响；若氮元素和氧元素的掺杂量过少，则起不到改善材料分散效果和提升极片粘接力的作用。
12、第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的石墨负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
13、(1)将石墨材料和氮氧源混合，进行反应，得到反应产物；
14、(2)将所述反应产物、还原剂和溶剂混合，进行水热反应，得到所述石墨负极材料。
15、本专利技术提供的制备方法，反应速率高，反应条件温和，且使用的原材料成本较低，有利于大规模生产制备。
16、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述制备方法满足以下至少一条：
17、步骤(1)所述氮氧源包括浓硝酸。
18、需要说明的是，浓硝酸指的是浓度在8mol/以上的硝酸溶液。
19、步骤(1)所述石墨材料和氮氧源的固液比为1g:(20-50)ml，例如可以是1g:20ml、1g:25ml、1g:30ml、1g:35ml、1g:40ml、1g:45ml或1g:50ml等。
20、需要说明的是，石墨材料和氮氧源的固液比指的是石墨材料的质量与氮氧源的体积的比值。
21、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(1)所述石墨材料和氮氧源的固液比为1g:(25-40)ml，例如可以是1g:25ml、1g:30ml、1g:35ml或1g:40ml等。
22、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(1)所述反应的温度为60-100℃，例如可以是60℃、70℃、80℃、90℃或100℃等，所述反应的时间为8-14h，例如可以是8h、9h、10h、11h、12h、13h或14h等。
23、本专利技术中，若步骤(1)反应的温度过低，则氮氧源无法与石墨表面充分反应，导致氮元素和氧元素的掺杂量过低；若步骤(1)反应的温度过高，则氮氧源会对石墨过度氧化，对电池的首效、循环等性能造成影响。
24、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述制备方法满足以下至少一条：
25、步骤(2)所述还原剂包括水合肼。
26、步骤(2)所述还原剂和石墨材料的液固比为(1-5)ml:1g，例如可以是1.0ml:1g、1.5ml:1g、2.0ml:1g、2.2ml:1g、2.4ml:1g、2.6ml:1g、2.8ml:1g、3.0ml:1g、3.5ml:1g、4.0ml:1g、4.5ml:1g或5.0ml:1g等。
27、需要说明的是，还原剂和石墨材料的液固比指的是还原剂的体积和石墨材料的质量的比值。
28、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(2)所述还原剂和石墨材料的固液比为(2-3)ml:1g，例如可以是2.0ml:1g、2.2ml:1g、2.4ml:1g、2.6ml:1g、2.8ml:1g或3.0ml:1g等。
29、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(2)所述水热反应的温度为180-220℃，例如可以是180℃、190℃、200℃、210℃或220℃等，所述水热反应的时间为8-12h，例如可以是8h、9h、10h、11h或12h等。
30、本专利技术中，若步骤(2)水热反应的温度过低，则水热反应不够完全，导致氮元素和氧元素的掺杂量过低；若步骤(2)水热反应的温度过高，则不会继续改善水热反应的效果，同时可能存在安全风险。
31、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述制备方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种石墨负极材料，其特征在于，所述石墨负极材料掺杂有氮元素和氧元素；
2.根据权利要求1所述的石墨负极材料，其特征在于，所述氮元素和氧元素的掺杂原子数占所述石墨负极材料的总原子数的0.1-1％，优选为0.3-0.8％。
3.一种如权利要求1或2所述的石墨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：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足以下至少一条：
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述反应的温度为60-100℃，所述反应的时间为8-14h。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足以下至少一条：
7.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述水热反应的温度为180-220℃，所述水热反应的时间为8-12h。
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
9.一种负极浆料，其特征在于，所述负极浆料包括如权利要求1-8任一项所
10.一种二次电池，其特征在于，所述二次电池包括如权利要求9所述的负极浆料所制备的负极极片。
...【技术特征摘要】
1.一种石墨负极材料，其特征在于，所述石墨负极材料掺杂有氮元素和氧元素；
2.根据权利要求1所述的石墨负极材料，其特征在于，所述氮元素和氧元素的掺杂原子数占所述石墨负极材料的总原子数的0.1-1％，优选为0.3-0.8％。
3.一种如权利要求1或2所述的石墨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：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足以下至少一条：
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述反应的温度为60-100℃，所述反应的时间为8-14h。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：卫俊杰，王金钻，刘婵，侯敏，曹辉，
申请(专利权)人：瑞浦兰钧能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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