本发明涉及石墨负极材料技术领域，具体涉及一种复合石墨负极材料及其制备方法。
背景技术：
目前，锂离子电池负极材料主要有人造石墨和天然石墨。人造石墨具有循环性能、高低温性能好的优点，却存在压实、克容量不高等不足；而天然石墨的克容量、振实较高，加工性能好，但循环性能、低温性能及倍率性能稍差。近年来，随着新能源行业的发展和石墨行业的加工工艺及设备的不断提高，人们对石墨负极材料提出了更高的要求。其中，如何综合天然石墨和人造石墨的优势，制得低成本且性能较好的复合石墨负极材料显得极为迫切。
人造石墨的高低温性能、压实、克容量等性能有明显的提高，但是随着性能的提高，其工艺的复杂性也相应提高，导致材料的加工成本提升，无法满足市场要求；而天然石墨的低成本特性虽然对市场有具有较强的吸引力，但是其循环性能和膨胀性能并没有明显优势。目前的研究中，一般的复合石墨负极材料均是天然石墨与人造石墨的成品混料，即宏观混合，并没有从根本上实现融合，从而充分发挥人造石墨和天然石墨的优点。
cn101916857a将天然石墨、人造石墨、树脂类材料，按照一定的比例混合，再经过烘干、低温热处理，即得复合石墨材料，但是，所使用的原料是市场实用化的成品，增加了产品成本，不能满足当今市场对低成本的要求，且制得的材料存在水分超标的风险，需要引入烘干工序。
cn102659091a将天然石墨和人造石墨进行物理混合，并采用浓硫酸、浓硝酸、双氧水、臭氧等改性剂进行改性处理，或者采用树脂类或沥青类等包覆剂进行表面包覆。但是其中存在有机污染的液体化学物质，容易造成环境污染，且工艺复杂会导致工业化成本增加，违背了新能源电池的使用初衷。
cn101174683a将球形天然石墨、大粒度鳞片人造石墨、小粒度人造石墨三种材料混合制得一种复合石墨。这一技术方案只是单纯的宏观混合，并没有充分发挥二者的协同作用，原料选择方面也存在成本问题。类似的，cn1808745a也存在同样的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中复合石墨负极材料生产成本高、生产过程中容易造成环境污染等问题，而提供的一种复合石墨负极材料及其制备方法。本发明的复合石墨负极材料制备方法充分利用天然石墨球化副产物和人造石墨筛上物，结合沥青颗粒作为包覆剂进行表面中低温改性，生产原料成本低，易于获取，且制备工艺简单，能够实现工业化生产，制得的复合石墨负极材料成本低，且容量大、放电效率高、循环性能好。
本发明主要是通过以下技术手段解决上述技术问题的：
本发明提供一种复合石墨负极材料的制备方法，其包括以下步骤：
将天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的混合料经过低温热处理和炭化处理，制得复合石墨负极材料；
其中，所述天然石墨球化副产物的平均粒径为3～9μm，较佳地为4～8μm，更佳地为6～7μm；所述人造石墨筛上物的平均粒径为7～12μm，较佳地为8～11μm，更佳地为9～10μm；所述沥青颗粒的用量为2～14％，较佳地为3～12％，更佳地为10％；所述百分比为所述沥青颗粒占所述复合石墨负极材料的质量百分比。
本发明中，所述天然石墨球化副产物的用量为本领域常规用量，可为20～40％，较佳地为25～35％；所述百分比为所述天然石墨球化副产物占所述复合石墨负极材料的质量百分比。
本发明中，所述人造石墨筛上物的用量为本领域常规用量，可为50～75％，较佳地为55～70％；所述百分比为所述人造石墨筛上物占所述复合石墨负极材料的质量百分比。
本发明中，所述天然石墨球化副产物本领域技术人员知晓一般是指天然石墨经处理后，成品以外的产出料；一般可经过分级而得。所述天然石墨球化副产物的最小粒径可为1μm。所述天然石墨球化副产物的形状可为球状和/或土豆状。
本发明中，所述人造石墨筛上物本领域技术人员知晓一般是指人造石墨经过石墨化处理的成品加工筛上物不合格物料。所述人造石墨筛上物一般可经过粉碎、融合处理。所述人造石墨筛上物的最小粒径可为1μm。
本发明中，所述沥青颗粒的平均粒径为本领域常规使用包覆剂用粒径，可为5～9μm，较佳地为6～8μm。所述沥青颗粒的软化点可为100～300℃，较佳地为150～250℃。所述沥青颗粒的结焦值可为25～75％，较佳地为35～70％。
本发明中，所述低温热处理的温度为本领域常规低温热处理温度，可为300～750℃，较佳地为600～650℃。所述低温热处理的时间可为360～720min，较佳地为720min。本领域技术人员知晓在进行所述低温热处理的同时可动态搅拌。
本发明中，所述炭化处理的温度为本领域常规炭化处理温度，可为850～1350℃，较佳地为1150～1200℃。所述炭化处理的时间可为700～1200min，较佳地为900～1000min。所述炭化处理的设备一般采用静态热处理方式。
本发明中，所述复合石墨负极材料的制备方法制得的复合石墨负极材料。其平均粒径一般为11.0～17.0μm。
本发明提供了一种复合石墨负极材料；所述复合石墨负极材料由上述方法制得。
本发明还提供了一种包括所述复合石墨负极材料的锂离子电池。
其中，所述锂离子电池的制备方法为本领域常规方法。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明的复合石墨负极材料制备方法充分回收利用天然石墨球化副产物和人造石墨筛上物，结合沥青颗粒作为包覆剂进行表面中低温改性，制备复合石墨负极材料，工艺简单、易于实现工业化生产，制得的复合石墨负极材料具有高容量、长循环、低成本的特点；采用所述复合石墨负极材料制备的锂离子电池首次放电容量大于360mah/g，且首次放电效率≥92.1％，循环500次后，容量保持率至少可达90.2％。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1复合石墨负极材料的制备
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为3～9μm的球状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为7～12μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为40wt％、50wt％和10wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中进行低温热处理，低温热处理的温度为630℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为15±2μm的复合石墨负极材料。
实施例2复合石墨负极材料的制备
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为3～9μm的球状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为7～12μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为30wt％、65wt％和5wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为630℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为13±2μm的复合石墨负极材料。
实施例3复合石墨负极材料的制备
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为3～9μm的球状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为7～12μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为35wt％、58wt％和7wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为600℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1200℃，时间为900min，即得平均粒径为14±2μm的复合石墨负极材料。
实施例4复合石墨负极材料的制备
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为4～8μm的土豆状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为8～11μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加6～8μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为30wt％、63wt％和7wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为600℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1200℃，时间为900min，即得平均粒径为13±2μm的复合石墨负极材料。
实施例5复合石墨负极材料的制备
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为6～7μm的土豆状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为9～10μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加6～8μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为25wt％、65wt％和10wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为650℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为13±3μm的复合石墨负极材料。
实施例6复合石墨负极材料的制备
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为3～9μm的土豆状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为7～12μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为20wt％、75wt％和5wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为650℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为17±3μm的复合石墨负极材料。
对比例1复合石墨负极材料的制备
对比例1中天然石墨球化副产物的平均粒径(10～11μm)、人造石墨筛上物的平均粒径(5～6μm)和包覆剂沥青颗粒的质量百分比(15wt％)均不在本发明请求保护的范围内。
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为10～11μm的球状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为5～6μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为50wt％、35wt％和15wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为630℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为18±1μm的复合石墨负极材料。
对比例2复合石墨负极材料的制备
对比例2中天然石墨球化副产物的平均粒径(12～15μm)不在本发明请求保护范围内。
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为12～15μm的球状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为7～12μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为40wt％、50wt％和10wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中进行低温热处理，低温热处理的温度为630℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为18±2μm的复合石墨负极材料。
对比例3复合石墨负极材料的制备
对比例3中人造石墨筛上物的平均粒径(3～6μm)不在本发明请求保护范围内。
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为3～9μm的土豆状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为3～6μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为35wt％、58wt％和7wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为600℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1200℃，时间为900min，即得平均粒径为11±2μm的复合石墨负极材料。
对比例4复合石墨负极材料的制备
对比例4中沥青颗粒的添加质量比(15wt％)不在本发明请求保护范围内。
步骤(1)：将1600kg天然石墨球化副产物进行分级，得到平均粒径为3～9μm的土豆状天然石墨球化副产物；
步骤(2)：将1600kg人造石墨筛上物进行粉碎、融合处理，得到粒径为7～12μm的人造石墨筛上物；
步骤(3)：将天然石墨球化副产物与人造石墨筛上物混料，并添加5～9μm的沥青颗粒；天然石墨球化副产物、人造石墨筛上物和沥青颗粒的质量百分比分别为23.6wt％、61.4wt％和15wt％；沥青的软化点为180±10℃，结焦值为55±15％；
步骤(4)：将混合好的物料投入滚筒炉中低温热处理，低温热处理的温度为650℃，时间为720min；
步骤(5)：将滚筒炉出料进行炭化处理，炭化处理的温度为1150℃，时间为900min，即得平均粒径为16±3μm的复合石墨负极材料。
效果实施例
利用实施例1-6和对比例1-4制得的复合石墨负极材料制备扣式电池，并测试扣式电池的粒径、首次放电容量和放电效率。
粒径测试仪器为激光粒度分布仪ms2000，电性能测试仪器为arbinbt2000。
本发明中，首次放电容量和首次放电效率的测试方法为本领域常规测试方法。具体可为：将pvdf溶解在nmp溶剂中，加入一定量的sp搅拌均匀后，添加复合石墨负极材料，搅拌至均匀即合浆完成，再经过涂布、预热干燥、辊压、干燥，二遍辊压、模切，裁片、组装扣式电池即得扣式电池。其中电解液采用1mlipf6，ec：dec：dmc＝1:1:1(体积比)，对电极为金属锂片，充放电电势为0.005～2.000v，充放电倍率为0.1c。
本发明中，循环性能测试方法为本领域常规测试方法。具体可为：将复合石墨负极材料经过与扣式电池相同的方式方法合浆、涂布、预热干燥、辊压、干燥、二次辊压、模切、裁片、卷绕、组装电池即得全电池。其中，正极材料采用钴酸锂，充放电倍率为1c。循环性能测试结果表1所示。
表1
由表1看出，将本发明中实施例1-6制备的复合石墨负极材料制备为扣式电池，其首次放电容量均在360mah/g以上，首次放电效率≥92.1％；将本发明中实施例1-6制备的复合石墨负极材料制备为全电池，1c循环500次后，容量保持率最高可达94.2％，最低可达90.2％。
将对比例1制得的复合石墨负极材料制备为扣式电池，尽管其首次放电容量高于实施例1～6，但首次放电效率却低于实施例1～6；将对比例1制得的复合石墨负极材料制备为全电池，1c循环500次后的容量保持率也低于实施例1～6。
将对比例2和对比例3制得的复合石墨负极材料制备为扣式电池，其首次放电容量和首次放电效率均低于实施例1～6；将对比例2和对比例3制得的复合石墨负极材料制备为全电池，1c循环500次后的容量保持率也低于实施例1～6。
将对比例4制得的复合石墨负极材料制备为扣式电池，虽然首次放电效率与实施例1、实施例3和实施例4相当，但是其首次放电容量显著低于实施例1～6；将对比例4制得的复合石墨负极材料制备为全电池，1c循环500次后的容量保持率与实施例1和2相当。