TWI716784B - 一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法 - Google Patents

Abstract

一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，步驟包括：(A)提供一石墨粉與一包含有黏結劑之溶劑混合成一石墨混合溶液；(B)將該石墨混合溶液進行一第一加熱處理以去除溶劑；(C)步驟(B)後再進行一粉碎製程而得一包含有黏結劑之石墨粉末；(D)將該包含有黏結劑之石墨粉末進行一冷壓成形處理、冷均壓處理及一第二加熱處理而得一人工石墨材料。藉此，利用石墨粉表面包覆一薄層黏結劑以製備出高強度之石墨塊材。

Description

一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法

本發明係關於一種製備石墨材之製作方法，特別是關於一種利用黏結劑以製備出石墨塊材之製作方法。

現代科技與生活品質的快速發展，各類3C高科技電子產品無不趨向輕、薄、短、小與多功能發展，而電池在使用安全、低成本、品質高及兼具環保等要求下，高性能之鋰電池應運而生，其中，鋰離子二次電池負極材料，可使用介相碳微球、天然石墨、人造石墨等材料來製作。

目前電池負極活性物質、導電性充填劑以介相碳微球為碳材料之應用越來越多，該碳材料之充放電容量、循環特性及熱安定性較優異，尤其是用為鋰充電電池在作為攜帶型機器末端之電源、超級電容及太陽能電池；但以介相碳微球來製作高強度石墨的方法，其原理是以介相碳微球本身所含之黏結相，在碳化、石墨化熱處理過程中進行球體間的自黏結，因此在燒結過程中球體本身黏結相會裂解散逸，造成球體之體積變化量較大，進而造成胚體整體之收縮量較大，容易在熱處理過程中產生龜裂現象，因此利用介相碳微球來製作高強度石墨的方法需要精準控制高溫爐體升溫速率 與胚體受熱均勻性等條件，同時要降低黏結相裂解速度、維持胚體各部位收縮量之均一性，所以技術難度相對困難。

而一般傳統等向性石墨是以焦碳與黏結瀝青為原料，經過熱熔融混煉、研磨過篩、成型、碳化與石墨化處理後製成等向性石墨，但製成之石墨胚體內部空孔較多，造成坯體密度較低，需再經過多次的瀝青浸滲與碳化及石墨化處理，才可獲得高強度、高密度的石墨塊材。

因此目前業界極需發展出一種石墨塊材之製作方法，能在高溫燒結過程中有效降低收縮不均的現象，並降低胚體之整體收縮量，進而來提升石墨胚體燒結成功率，如此一來，方能同時兼具成本與效能，有效製備出高強度之石墨塊材。

鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，整合一石墨粉與一包含有黏結劑之溶劑、一第一加熱處理、一粉碎製程與一冷壓成形處理等，以製備出高強度之石墨塊材。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，步驟包括：(A)提供一石墨粉與一包含有黏結劑之溶劑混 合成一石墨混合溶液；(B)將該石墨混合溶液進行一第一加熱處理以去除溶劑；(C)後步驟(B)後再進行一粉碎製程而得一包含有黏結劑之石墨粉末；(D)將該包含有黏結劑之石墨粉末進行一冷壓成形處理、冷均壓處理及一第二加熱處理而得一人工石墨材料。

步驟(A)中的黏結劑，可選自石油瀝青、樹脂化合物、焦炭、煤焦瀝青其中之一或其混合；而步驟(A)中的溶劑可選自NMP、奎林、丙酮、甲苯、洗油其中之一或其混合，其中，黏結劑對於溶劑的重量混合比例範圍可以5-20%的混合方式來產出一包含有黏結劑之溶劑；另步驟(A)中黏結劑對於石墨粉的重量混合比例範圍可以為2-50%，較佳的結劑對於石墨粉的重量混合比例範圍為5-30%。

步驟(B)中的目的，是要利用濕式包覆法將石墨粉表面包覆一薄層黏結劑，使石墨粉成為表面具有黏結性質之粉末，因此第一加熱處理是要藉由在(200~300℃)熱均勻攪拌的製程下，將上述的溶劑移除，使石墨材料表面包覆一薄層黏結劑，使之形成一具有黏結性質之；而步驟(C)中的粉碎製程，可利用攪拌、球磨、行星式轉動混合、高速均質混合、揉塑、碾壓等方式其中之一或其混合方式。

步驟(D)中包含一成型製程，該成型製程可選用碾壓、模壓、擠出、射出、壓濾或注漿成型等製程其中之一或利用上述製程任意組合來進行成型製程，成型製程主要的 功用係利用上述的不同手段達到對材料的加壓，利用壓力提高該複合材料的密度以產出一塊材胚體；本發明的其中一時施例採用冷壓成形處理及冷均壓處理來製作出冷壓及冷均壓胚體，其中，冷壓成形處理之壓力範圍可為20,000-30,000Psi。

步驟(D)中包含一第二加熱處理，，其中該第二加熱處的溫度範圍可為300~3000℃，較佳的熱處理範圍為600~3000℃。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

S101-S104‧‧‧步驟

第一圖係為本發明一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法流程示意圖；第二圖係為本發明一種石墨粉電子顯微鏡圖；第三圖係為本發明實施例有黏結劑包覆之石墨粉電子顯微鏡圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

習知技術高強度石墨製作之原理，係利用介相碳微球本身所含之黏結相，在碳化、石墨化熱處理過程中進行球體間的自黏結，因此在燒結過程中若球體本身發生黏結相裂解散逸，可能造成球體之體積變化量大，進而造成胚體整體之收縮量較大，故容易在熱處理過程中產生龜裂現象，降低石墨材的品質，所以習知技術，需要精準控制高溫爐體升溫速率與胚體受熱均勻性等條件，方能降低黏結相裂解速度，使胚體各部位收縮量達到均一性，此製程技術難度頗高，在量產上將大幅影響石墨材的品質與良率。

本發明與介相碳微球進行自黏結之高強度石墨製作方式不同，是以本身不含黏結劑之石墨粉為主體，利用濕式包覆法將石墨粉表面包覆一薄層黏結劑，使石墨粉成為表面具有黏結性質之粉末，再進行後續冷均壓、碳化、石墨化製程，可大幅降低石墨胚體在燒結過程中之收縮量與龜裂現象，進而提升燒結成功率。

請參考第一圖，為本發明一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法流程示意圖。如圖所示，本發明提供一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，其步驟如下：首先，如步驟(A)提供一石墨粉與一包含有黏結劑之溶劑混合成一石墨混合溶液S101，在本實施例中，該黏結劑係選自石油瀝青、樹脂化合物、焦炭、煤焦瀝青其中之一或其混合，溶劑則選自NMP、奎林、丙酮、甲苯、洗油其中 之一或其混合；步驟(A)各成份混合比例如下，黏結劑對於該溶劑的重量混合比例範圍係為5-20%，而黏結劑對於該石墨粉的重量混合比例範圍係為5-30%。

接著如步驟(B)將該石墨混合溶液進行一第一加熱處理以去除溶劑S102，在本實施例中，第一加熱處理之溫度範圍係為200~300℃，加熱至溶劑去除為止。

接著如步驟(C)進行一粉碎製程而得一包含有黏結劑之石墨粉末S103，在本實施例中，使用研磨或球磨方式處理。

然後，如步驟(D)再將該包含有黏結劑之石墨粉末進行一冷壓成形處理、冷均壓處理及一第二加熱處理而得一人工石墨材料S104，在本實施例中，該冷壓成形處理之壓力範圍係為20,000-30,000Psi，而該第二加熱處理之溫度範圍係為600~3000℃。

請參考第二圖，為本發明一種石墨粉電子顯微鏡圖、請參考第三圖，為本發明實施例有黏結劑包覆之石墨粉電子顯微鏡圖。如第二圖所示，本發明中所使用石墨粉粒粒徑約為150微米，且表面呈現較粗糙狀，而本發明以濕式包覆法將一薄層黏結劑包覆於石墨粉表面，使石墨粉成為在高溫下具有黏結性質的粉末，如第三圖所示，由圖中可發現，經濕式包覆法包覆石墨粉之後，石墨粉粒徑由約150微米增加至200微米，且表面因包覆黏結劑而呈現較光滑狀，因此 本發明確實經由濕式包覆法將黏結劑包覆於石墨粉上。

本案發明是以本身不含黏結劑之石墨粉為主體，而黏結劑則是另外溶於有機溶劑或芳香族溶劑中，使黏結劑均勻溶於溶劑中，再將石墨粉與其含有黏結劑之液體混合，並以熱攪拌均勻，再將溶劑移除，使石墨粉表面包覆一薄層黏結劑，使之形成一具有黏結性質之粉體，而後使用冷壓與冷均壓成型方式使粉體間彼此緊密堆疊，此方法可讓胚體在燒結過程中，經由石墨粉表面的薄層黏結劑互相黏結，形成人工石墨塊材。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S101-S104‧‧‧步驟

Claims (3)

1. 一種以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，步驟包括：(A)提供一石墨粉與一包含有黏結劑之溶劑混合成一石墨混合溶液，其中，該黏結劑對於該溶劑的重量混合比例範圍係為5-15%，該黏結劑對於該石墨粉的重量混合比例範圍係為5-10%；(B)將該石墨混合溶液進行一第一加熱處理以去除溶劑，其中該第一加熱處理係為溫度在200~300℃熱均勻攪拌的製程；(C)步驟(B)後再進行一粉碎製程而得一包含有黏結劑之石墨粉末；(D)將該包含有黏結劑之石墨粉末進行一冷壓成形處理及一第二加熱處理而得一人工石墨材料，其中，該冷壓成形處理之壓力範圍係為25,000-30,000Psi，該第二加熱處理之溫度係為2700~3000℃。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，其中，該黏結劑係選自石油瀝青、樹脂化合物、焦炭、煤焦瀝青其中之一或其混合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之以黏結劑包覆石墨粉製備石墨塊材之製作方法，其中，該溶劑係選自NMP、奎林、丙酮、甲苯、洗油其中之一或其混合。

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