[發明專利]鐵水孕育人造石墨負極材料的制造裝置及方法

在審

• 申請號: 202210889452.4
• 申請日: 2022-07-21
• 公開（公告）號: CN115676815A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 李鑫;吉學文;王健
• 申請（專利權）人: 李鑫
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205;C01B32/21;H01M4/587;H01M10/0525
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• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種經濟環保的鐵水孕育人造石墨負極材料的制造裝置及方法，裝置主要包括：真空系統及爐體，加熱及測溫系統，石墨坩堝，具有增強分散功能的活塞組合體及位移控制系統，人造石墨粉體負壓抽吸及緩存系統；活塞組合體中(CP1)的上表面為圓錐形，其母線與中心線的夾角小于45度，(CP1)底部安裝多個石墨棒，對液/固兩相混合物料(L/S)起到強制流動和局部剪切的增強分散功能；高溫鐵水對石墨前驅體精粉具有低于90度的潤濕角，對碳元素具有較高的飽和溶解度，具備對非晶碳及表面高活性碳進行選擇性溶解的能力；(L/S)冷卻到低溫區間，低溫鐵水中析出的碳在石墨粉體的表面實現附生結晶，形成包覆型核殼結構為主的人造石墨負極材料。

技術領域

本發明屬于鋰離子二次電池領域，尤其是關于其中使用的人造石墨負極材料及其新型鐵水孕育制造裝置及其制造方法。

背景技術

鋰離子二次電池以其能量密度高，無記憶效應，廣泛應用于手機、筆記本電腦、電動汽車、儲能等領域，目前作為電動汽車或電動貨車移動能源的動力電池和儲能電池使用量很大，市場要求鋰離子電池使用壽命長，能量密度高，充放電倍率特性佳，制造成本低。石墨負極材料由于具有較高的比容量，較低的還原電位，良好的電化學可逆性，低的體積膨脹率，高的電子導電率，原料來源廣泛，為目前鋰離子二次電池主流的負極材料。

商業化的負極材料主要包括人造石墨和天然石墨。天然石墨的優點是成本低，壓實密度高，主要缺點是天然石墨粉體的表面粗糙，活性位點多，比表面積大，首次充放電時在負極活性材料的表面形成SEI膜的過程反應消耗浪費的鋰源多，導致首次充放電效率低；另外天然石墨的多晶體各向異性明顯，充/放電時負極材料的體積膨脹不容易互相抵消，電池容易鼓脹導致極組間距波動大，電池循環壽命下降較快；另外多晶體的各向異性還導致鋰離子的插入/脫出只能從石墨粉體多晶體的某些端面進行，導致有效插入/脫出的面積較小，電池的充/放電倍率特性較差，快充時容易析鋰，電池安全性不佳。

目前行業主流的是使用人造石墨作為負極活性材料，如全部由中間相碳微球或者煅燒后的針狀焦進行2800-3100℃高溫石墨化處理后得到的人造石墨，人造石墨多晶體基本呈各向同性，粉體表面光滑，粉體表面的活性位點相對較少，比表面積小，電池首效相對比天然石墨的高，循環壽命長，倍率特性佳，缺點是人造石墨必須進行高溫石墨化，加工周期長，能耗高；目前的人造石墨的高溫石墨化溫度高達2800-3100℃，主要利用高溫下碳原子熱擴散重新參與結晶來提高石墨前驅體的石墨化度，傳統的艾奇遜石墨化爐，石墨前驅體原材料粉體松裝于石墨坩堝內，振實密度小于1.10g/cm³；對石墨坩堝之間充填上碳素電阻顆粒料，加熱熱量的70-80％都是用于這些工藝輔料及外部的保溫料，為了生產產品的均勻性，加熱及保溫時間需要近15天，冷卻時間近10天，一爐的加工周期接近一個月，整體能耗高，能源有效利用率低下，加工周期長，資金占用周期長，成為人造石墨降低成本的瓶頸環節。

為了降低人造石墨的成本，在原材料方面主流的改進是采用核殼結構的包覆型產品，如采用瀝青或糠醛樹脂等石墨前驅體將天然石墨粉體或者針狀焦粉體進行包覆改性，然后進行中/高溫碳化及高溫石墨化處理制備人造石墨，包覆工藝復雜，產品制造周期長，整體能耗仍然偏高；另外傳統包覆型人造石墨粉體材料的殼和核之間的界面強度有限，包覆均勻性很難控制，制造負極極片時在強力輥壓時，包覆殼層容易被壓潰，導致電池首效和循環壽命質量波動。

為克服現有人造石墨負極材料制造方法和裝置的缺點，特提出本發明。

發明內容