深加工对球形人造石墨材料性能的影响

丰世凤

山东京能新材料科技有限公司 山东济宁 272100

工业革命以来，化石能源的大量使用带来了环境污染和能源短缺等诸多问题，人类社会对发展环保、绿色、循环经济的需求越来越迫切，从而推动了新能源动力电池研究的快速发展，以锂离子电池为代表的新型动力电池的开发已经日趋成熟。锂离子电池是通过锂离子在正负极之间嵌入和脱出而进行能量存储和释放的新型二次电池，由于其具有工作电压高、能量密度高、放电电压平稳，循环寿命长等优点而被广泛应用于多个领域。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等部分组成。炭材料是目前锂离子电池大规模实际应用的负极材料，也是新兴的锂离子二次电池和其他电化学储能器件中最常用的电极材料。传统炭负极材料主要是指石墨、硬炭和软炭材料。石墨类负极材料主要分为三种类型：天然石墨、人造石墨和复合石墨。

人造石墨材料是通过将针状焦、石油焦或中间相炭微球进行高温石墨化处理制得的，通过对焦炭的微观结构和石墨化温度进行控制即可调控人造石墨材料的晶体结构。人造石墨材料具有较好的电解液相容性，并可具有优秀的倍率和循环性能，其比容量可达300-355mAh/g，因此作为负极材料广泛应用在锂电池。为了提高电池的能量密度，必须提高球形人造石墨的振实密度。

振实密度是指在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积的质量，由振实密度仪器测定。振实密度是衡量碳材料的一个重要指标，对于锂离子电池而言，其体积是有限的，因此其体积内的活性物质质量越多越好。例如有的科技产品本身就很小，里面需要的电池就更小，如果振实密度太低，电池容量会小。所以电池材料必须追求较高的振实密度。

为了提高球形人造石墨的振实密度，我们进行了一系列的研究，使用山东正明粉体设备有限公司提供的解聚设备、融合设备、高温反应设备，对球形人造石墨材料进行深加工处理，以期得到高振实密度的碳材料。

1 实验

1.1 原料

球形人造石墨生料（山东京能新材料科技有限公司提供）。

1.2 设备

高速解聚机、融合机、高温反应釜（山东正明粉体设备有限公司提供）。

1.3 工艺

首先将球形人造石墨生料（MSPG-0）加入高速解聚机中，进行高速解聚；然后将解聚后的物料加入融合机进行融合处理，最后将经过融合处理后的物料进入高温反应釜，进行高温处理。

2 结果与讨论

（1）将球形人造石墨生料放入高速解聚机中，设定转速为650 转/ 分 钟， 分 别 搅 拌10min，20min，30min，40min，50min，60min， 记 为MSPG-1，MSPG-2，MSPG-3，MSPG-4，MSPG-5，MSPG-6。经过高速解聚机处理后，物料的振实密度没有显著提高，但是与未经过解聚处理的球形人造石墨生料相比略有提高，从0.56g/cm3 提高至0.58g/cm3。球形人造石墨生料本身就是团聚体，经过解聚打散后，物料粒度分布更加均匀，因此振实密度有所提高[1]。

由粒度测试可知，物料的D50 有所降低，从25.2um 变小至22.1um，在解聚30min 后，物料尺寸基本稳定在22.1um 左右，继续延长解聚时间，则物料的尺寸变化不大。说明物料此时已经相对稳定，团聚的大颗粒基本已经打散。物料尺寸稳定，有助于后期石墨化尺寸的控制，并使得物料制作成浆料后更容易加工。

此外，物料的比表面积也有所变大，从1.60m2/g增大至1.82m2/g。比表面积增大是由于物料打散后，小颗粒增多引起，但是整体变化不算太大，满足要求[2]。

（2）为了节约用电，本着高效环保的原则，我们选择将高速解聚处理30min 的生料（MSPG-3）加入融合机中，进行融合处理，转速控制在600 转/min，融合时间分别为5min，10min，15min，20min，25min，记为MSPG-7，MSPG-8，MSPG-9，MSPG-10，MSPG-11。经过融合机处理的物料，振实密度有了一些提高，从0.58g/cm3提高至0.77g/cm3。融合机中有固定刀片与旋转缸体共同作用，使得物料在设备内进行高速的旋转，产生强的离心力，从而将物料压实，达到提高振实密度的目的。随着时间的延长，振实密度提高不再明显[3]。

此外，融合处理后物料的粒度D50 与比表面积略微有所增大，从22.1um 增大到22.8um，融合机对物料起到一个挤压作用，因此物料的尺寸略微有点变化。比表面积稳定在1.8m2/g 左右。

（3）将经过融合机处理15min，20min，30min 的生料，加入高温釜（600℃）进行处理，经过高温釜处理后的物料振实密度有了显著提高，从0.65g/cm3 提高至0.98g/cm3。这是由于在高温反应釜内，物料中的挥发分可以得到充分的释放，加上搅拌齿的力学作用，可以使物料混合的更均匀，从而将材料的振实密度提高到最大极限。同时，物料的D50 有所减小，从24.1um 降至21.5um，比表面积从2.04m2/g 增大为2.19m2/g。

3 结语

物料经过深加工后，其振实密度的提高是显而易见的，物料的粒度和比表面积也有所变化，但是变化不明显。尤其是经过融合机处理和高温釜加工的物料，振实密度提高显著。使用山东正明粉体设备有限公司提供的解聚设备、融合设备、高温反应设备，对材料进行30min 高速解聚处理、15min 融合处理、及高温釜深加工，可以得到振实密度大约是1g/cm3左右的高振实密度的碳材料。

对于碳材料可以采用此工艺，即物料经过解聚设备、融合设备、高温反应设备，可以将材料的振实密度得到有效提高。