[发明专利]高低温铁水孕育人造石墨负极材料及其制造装置

说明书

本发明提出一种经济环保，首效高，克容量大的高低温铁水孕育人造石墨负极材料及其制造装置，高温铁水在1750‑2150℃对碳元素具有较高的饱和溶解度，并具备对石墨前驱体中的非晶碳以及表面的高活性碳进行选择性溶解的能力；液/固混合物一起冷却到1300‑1650℃低温区间，低温铁水对碳具有较低的饱和溶解度，过饱和的碳从铁水中析出，在石墨前驱体精粉的表面实现附生结晶，形成包覆型核壳结构人造石墨粉体；然后将石墨主/副活塞从铁水的液面上移，人造石墨粉体自然上浮到铁水液面以上，负压将粉体抽吸出去，颗粒分选除磁后得到高低温铁水孕育人造石墨负极材料；投料时采用石墨活塞负压吸附钢桶包装的石墨前驱体精粉，利用石墨主/副活塞相对运动实现搅拌功能。

技术领域

本发明属于锂离子二次电池领域，尤其是关于其中使用的人造石墨负极材料。

背景技术

锂离子二次电池以其能量密度高，无记忆效应，广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车、储能等领域，目前作为电动汽车或电动货车移动能源的动力电池和储能电池使用量很大，市场要求锂离子电池使用寿命长，能量密度高，充放电倍率特性佳，制造成本低。

石墨负极由于具有较高的比容量，较低的还原电位，良好的电化学可逆性，低的体积膨胀率，高的电子导电率，原料来源广泛，为目前锂离子二次电池主流的负极材料。

商业化的负极材料主要包括人造石墨和天然石墨。天然石墨的优点是成本低，压实密度高，主要缺点是天然石墨粉体的表面粗糙，活性位点多，比表面积大，首次充放电时在负极活性材料的表面形成SEI膜的过程反应消耗浪费的锂源多，导致首次充放电效率低；另外天然石墨的多晶体各向异性明显，充/放电时负极材料的体积膨胀不容易互相抵消，电池容易鼓胀导致极组间距波动大，电池循环寿命下降较快，另外多晶体的各向异性还导致锂离子的插入/脱出只能从石墨粉体多晶体的某些端面进行，导致有效插入/脱出面积小，电池的充/放电倍率特性较差，快充时容易析锂，电池安全性不佳。

目前行业主流的是使用人造石墨作为负极活性材料，如全部由中间相碳微球或者煅烧后的针状焦进行2800-3100℃高温石墨化处理后得到的人造石墨，人造石墨多晶体基本呈各向同性，粉体表面光滑，粉体表面的活性位点相对较少，比表面积小，电池首效高，不可逆容量相对比天然石墨的低，循环寿命长，倍率特性佳，缺点是人造石墨必须进行的高温石墨化工序加工周期长，能耗高；目前的人造石墨的高温石墨化温度高达2800-3100℃，主要利用高温下碳原子热扩散重新参与结晶来提高石墨前驱体的石墨化度，传统的艾奇逊石墨化炉，石墨前驱体原材料粉体基本松装于石墨坩埚内，振实密度小于1.10g/cm³；对石墨坩埚之间充填上碳素电阻颗粒料，加热热量的70-80％都是用于这些工艺辅料及外部的保温料，为了生产产品的均匀性，加热及保温时间需要近15天，冷却时间近10天，一炉的加工周期接近一个月，整体能耗高，能源有效利用率低下，加工周期长，资金占用周期长，成为人造石墨降低成本的瓶颈环节。

为了降低人造石墨的成本，在原材料方面主流的改进是采用核壳结构的包覆型产品，如采用沥青或糠醛树脂等石墨前驱体将天然石墨粉体或者针状焦粉体进行包覆改性，然后进行高温碳化及高温石墨化处理制备人造石墨，包覆工艺复杂，产品制造周期长，整体能耗仍然偏高；另外这种包覆型的壳和核之间的界面强度有限，包覆均匀性很难控制，制造负极极片时包覆壳层容易被压渍，导致电池循环寿命质量波动。

为克服现有人造石墨负极材料制造方法的以上种种缺点和不足，特提出本发明。

发明内容