中國粉體網(wǎng)訊 人造石墨具有質(zhì)輕、耐高溫、耐酸堿、自潤滑、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在航天航空、汽車、船舶、化工等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。在鋰電領(lǐng)域，人造石墨由于容量高、循環(huán)和倍率性能良好、與電解液適應(yīng)性強、安全性好等特點，它在鋰離子電池負(fù)極材料市場占有率也逐年增長。
1、什么是人造石墨粉
人造石墨制品在機械加工過程中產(chǎn)生一定數(shù)量的切削碎，簡稱人造石墨粉。
人造石墨粉（圖片來源：青島浩源石墨）
像熱交換器、反應(yīng)槽、過濾器、活塞環(huán)、密封圈和軸承等高端石墨制品大多由高強度、高密度人造石墨坯體切削加工而成，但由于人造石墨脆性大、切削加工性不佳以及刀具干涉的存在，采取傳統(tǒng)的機械切削加工會產(chǎn)生大量的人造石墨粉塵。人造石墨粉塵難以回收再利用，處理不好還會造成粉塵污染。人造石墨制品由于用途不同，其用料和工藝過程有所不同，產(chǎn)生的石墨粉理化性能也有差異。全球年產(chǎn)各類人造石墨制品大約300萬t，因加工切削或裂紋廢品大約有20%-30%轉(zhuǎn)化為人造石墨粉。
石墨制品（圖片來源：三聯(lián)石墨制品、青島昱博石墨科技）
目前，對于人造石墨粉的開發(fā)應(yīng)用，主要是作為生產(chǎn)電池負(fù)極材料原材料或作為添加劑改善復(fù)合材料性能。
中高端人造石墨負(fù)極材料大都是以石油焦、針狀焦為原料，經(jīng)過制粉、二次造粒、瀝青包覆、炭化、石墨化等工序制備完成，生產(chǎn)工藝流程長，制造成本也較高。
直接以人造石墨粉制備的負(fù)極材料比表面積高、振實密度低，一般作為低端負(fù)極材料使用。
有研究發(fā)現(xiàn)，將人造石墨粉與硬碳粉末按照3：7質(zhì)量比混合，所制成的復(fù)合負(fù)極材料的綜合性能最優(yōu)，低溫性能獲得明顯改善。還有研究者用改性瀝青對人造石墨粉進行包覆、預(yù)氧化、炭化處理后，大幅度提高了負(fù)極材料的電化學(xué)性能。
2、人造石墨粉分類及性能
根據(jù)石墨粉骨料焦炭的不同，人造石墨粉可分為接頭電極、超高功率、高功率、普通功率電極石墨粉和特種石墨制品石墨粉。
對照GB/T24533--2019鋰離子電池石墨類負(fù)極材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)石墨類負(fù)極材料的含碳量可以分為4類：≧99.97%、≧99.95%、≧99.90%、≧99.70%。按鐵含量可以分為5類：≦10×10-6、≦20×10-6、≦30×10-6、≦50×10-6、≤100×10-6。碳含量越高、鐵含量越低的石墨類負(fù)極材料質(zhì)量等級越高。由圖l可見，接頭電極石墨粉從性能上可以滿足石墨類負(fù)極材料的基本質(zhì)量要求，而高功率、普通石墨電極和特種石墨粉石墨化度低、碳含量低、灰分和鐵含量高，與負(fù)極材料質(zhì)量要求有較大的差距。
圖1
3、人造石墨粉制備的負(fù)極材料電化學(xué)性能
研究者分別取人造石墨制品加工線上的石墨粉在渦輪氣流磨粉機粉碎、整形、球化分級制備成粒徑D50在18-22μm負(fù)極材料。將制備得到的負(fù)極材料按照國標(biāo)GB/F24533-2019《鋰離子電池石墨類負(fù)極材料》的檢測、檢驗方法對其物化性能進行測試。之后，制成LIR2025型扣式電池，對其電化學(xué)性能進行測試分析，其物化性能與電化學(xué)性能如圖2。
圖2
可以看出，不同的人造石墨粉都可以制備出具有電化學(xué)活性的負(fù)極材料，其中接頭石墨粉、超高功率電極石墨粉負(fù)極材料的比容量、首次庫倫效率比較好。普通電極、特種石墨制品因為石墨化度低，制備的負(fù)極材料比容量低。
4、人造石墨粉制備負(fù)極材料存在的不足及改性
研究者以電極接頭石墨粉為例，分析了電極接頭石墨粉中灰分與鐵含量，以及負(fù)極材料鐵含量對電池的危害。由于人造石墨制品表層粘附石墨化爐電阻料等雜質(zhì)，不預(yù)處理這些雜質(zhì)，會使石墨粉灰分和鐵含量明顯增加，對制備的負(fù)極材料質(zhì)量有嚴(yán)重影響。試驗研究表明，表層清洗凈化對降低石墨粉中的灰分和鐵含量效果非常明顯。
人造石墨粉經(jīng)過高速渦流機械破碎磨粉轉(zhuǎn)化為微米級顆粒粉體后，表面形貌及微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生微妙變化，表現(xiàn)出表面鱗屑碎片增多、比表面積增大及振實密度不高的缺陷，影響電化學(xué)性能的充分發(fā)揮。針對存在的缺陷通過適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)改性處理，用石墨粉可以制備出中高端負(fù)極材料。
總體而言，人造石墨粉制備負(fù)極材料是綠色環(huán)保節(jié)能的負(fù)極材料生產(chǎn)方案，值得研究推廣。通過加強人造石墨粉應(yīng)用于負(fù)極材料方面的研究，相信未來這一領(lǐng)域會有很好的提升空間。
參考來源：
[1]吳世峰等.人造石墨粉制備鋰離子電池負(fù)極材料的工藝技術(shù)研究
[2]吳海華等.人造石墨粉末選擇性激光燒結(jié)成形工藝實驗研究
[3]陳果等.人造石墨-硬碳復(fù)合負(fù)極材料的性能研究
[4]馮國飛等.瀝青包覆人造石墨炭化處理工藝
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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