CN112010299A - 一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法 - Google Patents

一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，该方法旨在解决现有工艺所需的设备占地大、能耗高，同时半成品为粉体形式，不利于物料的转移及运输处理，作业效率低，加工成本高的技术问题。该方法先将微米级的原材料粉体与沥青粉末的混合，在室温至300℃的条件下完成混料，并以高压及超高压作用取代反应釜高温下的造粒作用，从而以压制成型取代高温反应釜的造粒，再经高温石墨化产品处理以及粉碎和分级，得到人造石墨负极材料。该方法以压制成型取代高温反应釜的造粒，有效地降低了能量消耗，而且耗时更短、效率更高，同时其块状半成品更利于转移及运输，进一步降低了能耗，并提升了作业效率，有利于人造石墨负极材料的大规模生产。

Description

一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法
技术领域
本发明属于锂电池石墨负极材料的制备领域，具体属于一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法。
背景技术
锂离子电池与普通电池相比，因其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等特点，故在手机、笔记本电脑等方面已经得到迅速普及；并且随着各种电子产品对小型轻量及多功能、长时间驱动化的要求不断提升，对锂离子电池容量的要求也日益提高。而目前，锂离子电池容量的提高主要依赖于负极材料的发展和完善，因此长期以来，提高锂离子电池负极材料的比容量，减少首次不可逆容量，改善倍率特性，一直是针对锂离子电池研究开发的重点。
目前，针对锂离子电池负极材料的研究较多为碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、过渡金属氧化物等，其中，石墨类碳材料因技术比较成熟，而且在安全和循环寿命等方面性能较好，同时廉价、无毒，因此是现今最为常见的负极材料。另外，石墨类碳材料还可以分为人造石墨和天然石墨，两者分别作为负极材料各有优缺点，即人造石墨具有循环稳定的优点，但其在容量上一般要低于天然石墨；而天然石墨虽然具有容量高的优点，但由于天然石墨的高度晶化和取向度，因此其在充电过程中会发生溶剂分子进入石墨层间而引起石墨层剥落的现象，从而导致电循环性能降低。此外，因为天然石墨受限于本身的自然性质，因此其制备的负极材料难以实现较大幅度的提升，所以业内便更多地聚焦于人造石墨的制备。
现今针对人造石墨的制备工艺，高温反应釜中的造粒以及石墨化炉中的高温石墨化是其最为关键的两个步骤，在高温反应釜的造粒过程中，需要一次性投入较多物料，而且在制备过程中，还需要将反应釜升温至600℃以上的高温，因此该工艺环节的设备占地大、能耗高、污染大；同时，其半成品为粉体形式，这样非常不利于物料的转移及运输处理。另外，在高温石墨化的过程中，需要将半成品粉末添加至坩埚容器中，并将其投入进石墨化炉，而其粉体形态不易转移，且作业效率低，极大地提升了加工成本；此外，石墨化炉的空间较为有限，而粉体的堆积密度又较低，这也桎梏了石墨化炉的利用效率，提升了设备使用成本。
为此，目前针对人造石墨的制备会采用二次造粒的方式进行，即先将混合料投入高温包覆釜，再向其中加入沥青，并结合搅拌加热和碳化等流程，之后在进行石墨化，得到石墨二次粒子；但该工艺还是要用到大型包覆设备，而且该包覆设备投料量也较大，同时还需要进行高温碳化的过程，因此能耗也较高，效率低。
发明内容
(1)要解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，该方法旨在解决现有工艺所需的设备占地大、能耗高、污染大，同时半成品为粉体形式，不利于物料的转移及运输处理，作业效率低，提升了加工成本的技术问题。该方法以压制成型取代高温反应釜的造粒，有效地降低了能量消耗，而且耗时更短、效率更高，同时其块状半成品更利于转移及运输，进一步降低了能耗，并提升了作业效率，有利于人造石墨负极材料的大规模生产。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其具体步骤为：
步骤一、将焦类石墨原材料粉碎至微米级，得到微米级原材料粉体；
优选地，在步骤一中，所述焦类石墨原材料为石油焦、沥青焦、煤油焦中的一种或多种混合。
优选地，在步骤一中，所述微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。这样通过压制成型进行二次造粒效果最佳。
其中，将焦类石墨原材料粉碎至微米级可分步进行，一般可先将其破碎成毫米级，然后再将毫米级原材料粉成微米级原材料粉体，该微米级原材料粉体称为骨料。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与沥青粉末在室温至300℃的条件下进行混料，使其混合均匀，得到混合粉体；
优选地，在步骤二中，所述沥青粉末为煤焦沥青、石油沥青、天然沥青中的一种或多种混合。
优选地，在步骤二中，所述微米级原材料粉体与沥青粉末的质量比为100:5-15。这样通过压制成型进行二次造粒效果最佳。
进一步的，在步骤二中，所述沥青粉末的D50粒度为5-10μm。这样通过压制成型进行二次造粒效果最佳。
优选地，在步骤二中，所述混料在200℃的条件下进行。这样混料效率最高，能耗最低。
其中，将微米级原材料粉体与沥青粉末在室温至300℃的条件下通过混料机进行混合1-3小时，可使其混合均匀。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体加入模具中，加压下将其压制成型，得到块状半成品；
优选地，在步骤三中，控制所述模具的长、宽、高均为20-100cm。
优选地，在步骤三中，所述加压的压力为10-2000T。
其中，通过加压下压制成型可使骨料的一次粒子通过沥青的粘合作用形成二次粒子，而且不需要高温，也不需要反应釜的吨级投料；同时，该半成品为块状，不像粉体易飞散，更易于运输。此外，加压条件的压制成型，其可使用高压(加压10T以上)及超高压(加压1000T以上)作用。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料。
优选地，在步骤四中，所述得到人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。这样更适用于锂离子电池负极使用。
其中，块状半成品可直接加入到石墨化炉中进行高温石墨化，对比原有粉体状态装入坩埚再加入石墨化炉进行石墨化，块状半成品的体积密度较粉体提升了一倍以上同一石墨化炉中，相同时间内可以得到双倍的石墨化产品，进一步降低了能耗，提升了半成品石墨化的效率。
在本发明的技术方案中，以压制成型取代高温反应釜的造粒，这样可以有效地降低作业成本及能耗，即在步骤二中，微米级的原材料粉体与沥青粉末的混合，在室温至300℃的条件下完成混料，并在步骤三中，以高压及超高压作用取代反应釜高温下的造粒作用，从而免除了反应釜600℃以上的高温处理环节即减少了人造石墨中常规的高温包覆过程，降低了能量消耗，同时耗时更短、效率更高；通过加压下压制成型可使骨料的一次粒子通过沥青的粘合作用形成二次粒子，而且不需要高温，也不需要反应釜的吨级投料，即可快速得到二次粒子，且不受温度、投料总量的限制。同时，在压制成型后，块状半成品相较于粉体半成品更利于转移及运输，不像粉体易飞散。此外，块状半成品可直接加入到石墨化炉中进行高温石墨化，对比原有粉体状态装入坩埚再加入石墨化炉进行石墨化，块状半成品的体积密度较粉体提升了一倍以上，并且不需要使用坩埚，同一石墨化炉中，相同时间内可以得到双倍的石墨化产品，进一步降低了能耗，提升了半成品石墨化的效率。
(3)有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的制备方法以压制成型取代高温反应釜的造粒，从而免除了反应釜600℃以上的高温处理环节，即减少了人造石墨中常规的高温包覆过程，这样有效地降低了能量消耗，也不需要反应釜的吨级投料，同时耗时更短、效率更高。在压制成型后，块状半成品相较于粉体半成品更利于转移及运输，不像粉体易飞散；同时，块状半成品可直接加入到石墨化炉中进行高温石墨化，其体积密度较粉体提升了一倍以上，并且不需要使用坩埚，这样进一步降低了能耗，节能环保，并提升了半成品石墨化的效率，有利于人造石墨负极材料的大规模生产。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。
实施例1
本具体实施方式为制备人造石墨负极材料，其大致步骤为：
步骤一、将石油焦通过颚式破碎机进行破碎，得到毫米级原材料，然后再将毫米级原材料通过高速粉碎机进行粉碎，得到微米级原材料粉体，其中，控制毫米级原材料的D50粒度为1-3mm，控制微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与石油沥青粉末加入到混料机中，其中，控制石油沥青粉末的D50粒度为5-10μm，控制微米级原材料粉体与石油沥青粉末的质量比为100:5，在室温的条件下进行混料3小时，使其混合均匀，得到混合粉体。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体添加至模具中，控制该模具内空腔的长、宽、高均在20-100cm之间，通过液压机加压10T，将混合粉体压制成型，得到块状半成品。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品加入石墨化炉中进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料，其中，控制得到的人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。
实施例2
本具体实施方式为制备人造石墨负极材料，其大致步骤为：
步骤一、将沥青焦通过颚式破碎机进行破碎，得到毫米级原材料，然后再将毫米级原材料通过高速粉碎机进行粉碎，得到微米级原材料粉体，其中，控制毫米级原材料的D50粒度为1-3mm，控制微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与天然沥青粉末加入到混料机中，其中，控制天然沥青粉末的D50粒度为5-10μm，控制微米级原材料粉体与天然沥青粉末的质量比为100:8，在75℃的条件下进行混料2.5小时，使其混合均匀，得到混合粉体。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体添加至模具中，控制该模具内空腔的长、宽、高均在20-100cm之间，通过液压机加压400T，将混合粉体压制成型，得到块状半成品。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品加入石墨化炉中进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料，其中，控制得到的人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。
实施例3
本具体实施方式为制备人造石墨负极材料，其大致步骤为：
步骤一、将煤油焦通过颚式破碎机进行破碎，得到毫米级原材料，然后再将毫米级原材料通过高速粉碎机进行粉碎，得到微米级原材料粉体，其中，控制毫米级原材料的D50粒度为1-3mm，控制微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与煤焦沥青粉末加入到混料机中，其中，控制煤焦沥青粉末的D50粒度为5-10μm，控制微米级原材料粉体与煤焦沥青粉末的质量比为100:10，在200℃的条件下进行混料2小时，使其混合均匀，得到混合粉体。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体添加至模具中，控制该模具内空腔的长、宽、高均在20-100cm之间，通过液压机加压800T，将混合粉体压制成型，得到块状半成品。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品加入石墨化炉中进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料，其中，控制得到的人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。
实施例4
本具体实施方式为制备人造石墨负极材料，其大致步骤为：
步骤一、将石油焦和沥青焦混合物通过颚式破碎机进行破碎，得到毫米级原材料，然后再将毫米级原材料通过高速粉碎机进行粉碎，得到微米级原材料粉体，其中，控制毫米级原材料的D50粒度为1-3mm，控制微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与煤焦沥青和石油沥青混合物粉末加入到混料机中，其中，控制煤焦沥青的石油沥青混合物粉末的D50粒度为5-10μm，控制微米级原材料粉体与煤焦沥青和石油沥青粉末的质量比为100:12，在150℃的条件下进行混料1.5小时，使其混合均匀，得到混合粉体。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体添加至模具中，控制该模具内空腔的长、宽、高均在20-100cm之间，通过液压机加压1200T，将混合粉体压制成型，得到块状半成品。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品加入石墨化炉中进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料，其中，控制得到的人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。
实施例5
本具体实施方式为制备人造石墨负极材料，其大致步骤为：
步骤一、将沥青焦和煤油焦混合物通过颚式破碎机进行破碎，得到毫米级原材料，然后再将毫米级原材料通过高速粉碎机进行粉碎，得到微米级原材料粉体，其中，控制毫米级原材料的D50粒度为1-3mm，控制微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与石油沥青和天然沥青混合物粉末加入到混料机中，其中，控制石油沥青和天然沥青混合物粉末的D50粒度为5-10μm，控制微米级原材料粉体与石油沥青和天然沥青混合物粉末的质量比为100:15，在室温至100℃的条件下进行混料1.5小时，使其混合均匀，得到混合粉体。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体添加至模具中，控制该模具内空腔的长、宽、高均在20-100cm之间，通过液压机加压1600T，将混合粉体压制成型，得到块状半成品。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品加入石墨化炉中进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料，其中，控制得到的人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。
实施例6
本具体实施方式为制备人造石墨负极材料，其大致步骤为：
步骤一、将石油焦、沥青焦和煤油焦混合物通过颚式破碎机进行破碎，得到毫米级原材料，然后再将毫米级原材料通过高速粉碎机进行粉碎，得到微米级原材料粉体，其中，控制毫米级原材料的D50粒度为1-3mm，控制微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与煤焦沥青、石油沥青和天然沥青混合物粉末加入到混料机中，其中，控制煤焦沥青、石油沥青和天然沥青混合物粉末的D50粒度为5-10μm，控制微米级原材料粉体与煤焦沥青、石油沥青和天然沥青混合物粉末的质量比为100:10，在200℃的条件下进行混料2小时，使其混合均匀，得到混合粉体。
步骤三、将步骤二得到的混合粉体添加至模具中，控制该模具内空腔的长、宽、高均在20-100cm之间，通过液压机加压2000T，将混合粉体压制成型，得到块状半成品。
步骤四、将步骤三得到的块状半成品加入石墨化炉中进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料，其中，控制得到的人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。
结果分析
通过上述实施例的过程可以明显看出，以压制成型取代高温反应釜的造粒可以有效地降低作业成本及能耗，同时耗时更短、效率更高，并且可快速得到二次粒子，且不受温度、投料总量的限制。同时，在压制成型后，块状半成品相较于粉体半成品更利于转移及运输，不像粉体易飞散。
以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、将焦类石墨原材料粉碎至微米级，得到微米级原材料粉体；
步骤二、将步骤一得到的微米级原材料粉体与沥青粉末在室温至300℃的条件下进行混料，使其混合均匀，得到混合粉体；
步骤三、将步骤二得到的混合粉体加入模具中，加压下将其压制成型，得到块状半成品；
步骤四、将步骤三得到的块状半成品进行高温石墨化，得到块状石墨化产品，之后再将块状石墨化产品进行粉碎和分级，得到人造石墨负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述焦类石墨原材料为石油焦、沥青焦、煤油焦中的一种或多种混合。
3.根据权利要求2所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述微米级原材料粉体的D50粒度为5-15μm。
4.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述沥青粉末为煤焦沥青、石油沥青、天然沥青中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述微米级原材料粉体与沥青粉末的质量比为100:5-15。
6.根据权利要求4所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述沥青粉末的D50粒度为5-10μm。
7.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述混料在200℃的条件下进行。
8.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤三中，控制所述模具的长、宽、高均为20-100cm。
9.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤三中，所述加压的压力为10-2000T。
10.根据权利要求1所述的一种节能环保的人造石墨负极材料制备方法，其特征在于，在步骤四中，所述得到人造石墨负极材料的D50粒度为10-20μm。这样更适用于锂离子电池负极使用。
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