废匣钵粉加入量对堇青石-莫来石质耐火材料性能的影响

刘鹏程 张 伟 钱 凡

中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室 河南洛阳 471039

锂电池是一种新型绿色高能电池，具有工作电压高，导电率高，较好的稳定结构，比能量大，循环寿命长等优点，目前广泛应用于通讯、军事、信息以及电动汽车等领域［1］。锂离子正极材料的发展也十分迅速。目前由于高温、急冷急热以及正极材料中的LiCO3、LiOH等碱性物质对锂电池正极材料用匣钵的侵蚀，会导致匣钵材料剥落而损毁，严重影响了匣钵的使用寿命。匣钵报废的主要原因为开裂、起皮，每年会产生数以百万计的废匣钵粉；同时，用后的匣钵难以回收利用，导致了环境污染与资源浪费［2-6］。因此，对废匣钵粉的回收利用的可行性研究，也是践行可持续发展的科学理念。

本工作中，研究了废匣钵粉添加量对莫来石-堇青石质匣钵材料性能的影响，为用后匣钵的回收处理提供一定参考。

1 试验

1.1 原料

试验原料有：粒度1.25～0.5 mm的堇青石颗粒，粒度2～1、≤1 mm的M70莫来石颗粒，粒度≤0.5 mm的电熔尖晶石颗粒，≤0.044 mm的电熔尖晶石细粉，粒度≤0.044 mm的废匣钵细粉，活性α-Al2O3微粉和广西白泥；外加3%（w）的纸浆废液为结合剂。主要原料的化学组成见表1。

表1 主要原料的化学组成

1.2 试样制备

使用切割设备及粗砂纸将废匣钵表面残余的LiCoO2、LiO2、Li（NiCoMn）O2去除，然后依次用鄂式破碎机、对辊破碎机和振动磨将其磨细至0.044 mm后，按照加入量（w）0、4%、8%、12%进行配料。试验配方如表2所示。

表2 试验配方

按照表2配料。将骨料加入混碾机中与纸浆废液搅拌3 min，再加入细粉混练15 min。将混好的泥料装入塑料袋密封困料24 h，然后用液压机制成φ50 mm×50 mm和φ85 mm×15 mm的坯体。坯体经110℃干燥24 h后，分别在1 320、1 350和1 380℃保温3 h烧后自然冷却。

1.3 性能检测

分别依据GB/T 5988—2007、GB/T 2997—2015和GB/T 5072—2008检测1 320、1 350和1 380℃热处理后试样的线变化率、显气孔率、体积密度和常温耐压强度。采用扫描电子显微镜观察1 380℃热处理后试样的显微结构。

2 结果与分析

2.1 废匣钵粉加入量对试样烧后线收缩率的影响

图1给出了废匣钵粉加入量对试样烧后线收缩率的影响。

图1 废匣钵粉加入量对试样烧后线收缩率的影响

从图1可以看出：随着废旧匣钵粉加入量的增多，试样的线收缩率逐渐增大。相同添加量时，基本都是热处理温度越高，线收缩率也越大。这是因为废旧匣钵中存在较多的低熔点物质，随其添加量的增多，试样内部产生更多的玻璃相，因而试样的收缩也越大。

2.2 废匣钵粉加入量对试样显气孔率和体积密度的影响

图2给出了废匣钵粉添加量对试样显气孔率和体积密度的影响。

图2 废匣钵粉加入量对试样显气孔率和体积密度的影响

从图2可以看出，随着试样中废匣钵粉含量的增加，试样显气孔率和体积密度并没有明显的变化。

2.3 废匣钵粉加入量对试样常温耐压强度的影响

图3给出了废匣钵粉添加量对试样常温耐压强度的影响。

图3 废匣钵粉加入量对试样常温耐压强度的影响

从图3可以看出，随着试样中废匣钵粉含量的增加，试样的常温耐压强度呈明显下降的趋势。这是因为试样中废匣钵粉量增加，低熔点物质越来越多，导致强度下降。废匣钵粉添加量相同时，随着热处理温度的升高，试样的强度先下降后增加。这是因为当试样热处理温度升高时，产生一定的液相量导致强度下降；而随着温度的进一步升高，试样会有过烧瓷化，从而使试样强度相对增加。

综合来看：试样中废匣钵粉的量不宜过多，过多会严重影响试样的强度。废匣钵粉加入量（w）在4%～8%较为适宜。

2.4 显微结构

经1 380℃热处理后，废匣钵粉加入量（w）为0和8%的试样的显微结构照片如图4所示。

图4 废匣钵粉不同添加量试样的显微结构照片

从图4可以看出，相比于不加废匣钵粉的试样，添加8%（w）的试样内部结构明显更加疏松、多孔，孔径相对较大，这也导致了试样的强度略微下降。

3 结论

（1）随着废匣钵粉添加量的增加，试样的体积密度和显气孔率变化较小，强度略有下降。综合来看添加4%～8%（w）的废匣钵粉对堇青石-莫来石质匣钵试样的影响较小，试样的性能可以满足最低使用要求。

（2）添加废匣钵粉试样的内部结构变得更加疏松，气孔孔径较大。因此，废匣钵粉的添加量不宜过多，以免影响试样的综合性能。