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    石墨類負極材料的工藝流程簡介

    2023.05.29

    概述

    鋰離子電池是一種環境友好型高性能可再生能源,主要用于汽車動力電池、 IT 行業的移動電話、筆記本電腦、攝像機、通訊設備和機電產業,為深入貫徹黨中央“碳中和”“碳達峰”的戰略目標,落實實施《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035 年)》的宏偉藍圖,帶動以電動車應用為代表的動力電源領域迅速發展。

    隨著鋰電池的用量越來越大,對鋰電池負極材料的需求也明顯增加。負極材料作為鋰電池核心材料之一,對鋰電池的最終性能起著至關重要的作用,目前負極材料以技術成熟、價格優勢的石墨類負極材料為主。

    石墨類負極材料導電性好,結晶度較高,具有良好的層狀結構及很高的石墨化度,適合鋰離子的嵌入脫嵌,其外觀呈銀黑金屬光澤,充放電比容量可達 360MAH/G,充放電效率在 91%以上,不可逆容量低于 30MAH/G,鋰在石墨中脫嵌反應發生在 0~0.25V 左右,具有良好的沖放電平臺。

    工藝原理

    石墨類負極材料是指將無定型碳通過高溫使其轉化為有序的六角網狀二維結構的石墨微晶的石墨化材料,提高負極材料的儲鋰容量。在達到石墨化溫度的情況下,原料中固有的部分雜質灰份可轉化氧化物揮發逸出,特別是微量元素鐵等磁性物。石墨晶體呈層狀結構,具有很強的各向異性,很容易與其它物質發生插層反應,插層反應的生成物稱為石墨層間化合物(GIC),被插入的物質被稱為插入物。

    石墨的嵌鋰過程是 Li+嵌入石墨層間的過程,隨著鋰在石墨中嵌入量的增加,石墨材料的儲鋰容量增加。目前的技術途徑主要是采用炭素工業常用的艾奇遜石墨化爐經過 3000℃以上的溫度處理,才能達到較高的容量。石墨化加工工序在石墨類負極材料制造中具有極為重要的作用。理想石墨嵌入 Li+形成 LiC6 時的理論比容量為372mAh/g,而非理想石墨的理論比容量可采用下面的方法進行簡單的估算∶克比容量與石墨化度的關系∶372mAh/g×G=372mAh/g×0.93=346mAh/g。

    由于內部微觀結構的不同,導致在宏觀表現的理化性質亦不同,主要炭素制品通過石墨化可以達到下列目的∶①提高產品的電、熱傳導性;②提高產品的抗熱沖擊性和化學穩定性;③使產品具有潤滑性、抗磨性;④排除雜質、提高純度。

    工藝流程

    生產工序為磨粉、整形、包覆、造粒、碳化、石墨化、后處理(除磁整形)、出料包裝等。石墨負極高溫處理是艾奇遜爐利用焦耳楞次定律,在爐芯通過電流產生焦耳熱,可以根據需要將產品加熱到指定高溫。具體過程如下:

    1. 磨粉整形
      作為電極材料的石墨粉應具有窄粒度分布、高振實密度的特點,故需對原料石墨進行磨粉處理,將5-10mm 粒徑的原輔材料按照要求磨至 15μm 左右。
    2. 包覆造粒
      磨制好的物料,是分散不均勻的,需要與瀝青按比例配好后投入到加熱式包覆機中進行包覆,使物料分布均勻,使瀝青均勻地包裹在石墨粉粒的表面。
    3. 碳化
      碳化過程在隔絕空氣條件下加熱,按一定的升溫曲線加熱,在1200~1500℃的溫度下,使瀝青完全炭化成焦。瀝青炭化后形成的瀝青焦將粉料顆粒固結在一起,具有較高的機械強度、較低的電阻率、較好的熱穩定性和化學穩定性。
    4. 石墨化
      石墨化是指碳在高溫作用下轉化為石墨的過程。碳化后物料經高溫石墨化處理,將碳材料亂層結構的碳原子晶格,轉變為三維有序的層狀結構。
    5. 磁選
      石墨化產出的負極材料含有一定的雜質,利用除鐵機降低物料中的磁性物質及含鐵物質成分,將鐵含量降至鋰電池負極材料的磁性物質產品要求(≤0.1ppm)。
    6. 檢驗、包裝
      經除鐵工序的物料經檢驗合格后送入包裝機中分裝。不合格品返回石墨化裝料工序再利用。
    7. 填充料篩選分級
      經過真空吸料裝置收集的填充料經過密閉的皮帶輸送機輸送至密封振動篩對其進行分級,分級后的煅后石油焦粒和部分石油焦粉回用作為填充料。

    原料簡介一:天然石墨

    球形石墨系以優質高碳天然鱗片石墨為原料,采用先進加工工藝對石墨表面進行改性處理,得到的不同細度、形似橢圓球形的石墨產品。球形石墨材料因具有良好的導電性,結晶度高,

    成本低,理論嵌鋰容量高,充放電電位低且平坦等特點,是目前作為鋰離子電池負極材料重要部分。

    石墨是碳質元素結晶礦物,它的結晶格架為六邊形層狀結構。石墨由于其特殊結構,而具有如下特殊性質:

    1)耐高溫型:石墨的熔點為 3850±50℃,沸點為 4250℃,即使經超高溫電弧灼燒,重量的損失很小,熱膨脹系數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強,在 2000℃時,石墨強度提高一倍。

    2)導電、導熱性:石墨的導電性比一般非金屬礦高-百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導熱系數隨溫度升高而降低,甚至在極高的溫度下,石墨成絕熱體。

    3)潤滑性:石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小,鱗片越大,摩擦系數越小,潤滑性能越好。

    4)化學穩定性:石墨在常溫下有良好的化學穩定性,能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。

    5)可塑性:石墨的韌性好,可制成很薄的薄片。

    6)抗熱震性:石墨在常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞,溫度突變時,石墨的體積變化不大,不會產生裂紋。

    原料簡介二:煅后石油焦

    石油焦是黑色或暗黑色堅硬固體石油產品,帶有金屬光澤,呈多孔性,是由微小石墨結晶形成粒狀、柱狀或針狀構成的炭體物。煅后石油焦是黑色或暗灰色堅硬固體石油產品,帶有金屬光澤,呈多孔性,是由微小石墨結晶形成粒狀、柱狀或針狀構成的炭體物。石油焦組分是碳氫化合物,含碳 90-97%,含氫 1.5-8%。石油焦是延遲焦化裝置的原料油在高溫下裂解生產輕質油品時的副產物。石油焦的產量約為原料油的 25-30%。其低位發熱量約為煤的 1.5-2 倍,灰分含量不大于 0.5%,揮發分約為 11%左右,品質接近于無煙煤。按熱處理溫度區分,石油焦可分為生焦和煅后焦兩種,生焦由延遲焦化所得,含有大量的揮發分,機械強度低。煅后焦是生焦經煅燒而得,煅燒溫度一般在 1400℃左右,煅燒目的是將石油焦揮發分盡量除掉。這樣可減少石油焦再制品的氫含量,使石油焦的石墨化程度提高,從而提高石墨電極的高溫強度和耐熱性能,并改善了石墨電極的電導率。

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