晶質(zhì)石墨活化提純鋰離子電池負(fù)極材料機(jī)理研究

劉靜宇

（黑龍江工業(yè)學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)系，黑龍江 雞西 158100）

晶質(zhì)石墨活化提純鋰離子電池負(fù)極材料機(jī)理研究

劉靜宇

（黑龍江工業(yè)學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)系，黑龍江 雞西 158100）

研究了一種新的石墨提純方法：先焙燒石墨，然后用NaOH，H2SO4和HCl處理，并確定了最佳工藝條件.結(jié)果表明，這種方法可以使固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.12%的晶質(zhì)石墨提純到99.76%.關(guān)鍵詞：鋰離子電池；天然石墨；提純；NaOH；硫酸；鹽酸

近年來，鋰離子電池在各個領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛.電池是否耐用主要在于它循環(huán)性的好壞，由于石墨具有較高的電容量和較好的循環(huán)性，所以天然的石墨是鋰離子電池負(fù)極材料的首選［1］.研究表明，石墨的循環(huán)性與其純度成正比.現(xiàn)在市面使用的高純石墨大多數(shù)是利用堿共熔法、氫氟酸法和高溫法等制備［2-5］.但這幾種方法都有缺點.因此，本文研究一種新的石墨提純方法，以解決原有方法存在的弊端.

1 實驗部分

1.1 材料

選用黑龍江省雞西市柳毛產(chǎn)-195型鱗片石墨，粒度為-0.15 mm，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.12%，石墨原材料中灰分的各種礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及各項指標(biāo)見表1.NaOH，H2SO4，HCl質(zhì)量濃度分別為為30%，5%，3%.

表1 石墨原料化學(xué)多項分析明細(xì)表 %

1.2 實驗過程

取一定量的石墨原料，分別在一定溫度下進(jìn)行焙燒，焙燒一定時間后，將其冷卻至一定溫度與NaOH反應(yīng).物質(zhì)反應(yīng)特定時間后，用水沖洗過濾，使其指標(biāo)達(dá)到中性，然后使用H2SO4溶液浸泡，浸泡后沖洗過濾至中性，而后在HCl溶液中煮沸，煮沸后沖洗過濾至中性，經(jīng)過干燥最終得到產(chǎn)品（流程見圖1）.

2 結(jié)果與分析

2.1 焙燒溫度對提純效果的影響

在不同的焙燒溫度下焙燒40 min，加堿量（NaOH與石墨的質(zhì)量比）為0.2的條件下，焙燒溫度對提純效果的影響見表2.由表2可見，隨著焙燒溫度的升高，固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減少，石墨在500～600 ℃之間的焙燒效果最佳.石墨中的雜質(zhì)隨著煅燒溫度的增加，結(jié)構(gòu)開始分解，有利于堿與雜質(zhì)反應(yīng)生成可溶物，但煅燒溫度太高，石墨的燃燒損失量會增加，并生產(chǎn)新的雜質(zhì)，影響提純效果［6-8］.最終選定石墨的焙燒溫度為550 ℃.

圖1 焙燒提純實驗過程

表2 焙燒溫度對石墨含碳量的影響

2.2 焙燒時間對提純效果的影響

在焙燒溫度為550 ℃，加堿量為0.2的條件下，不同焙燒時間對石墨提純效果的影響見表3.由表3可見，焙燒的最佳時間為40 min.

2.3 堿用量對提純效果的影響

將石墨在550 ℃的條件下，焙燒40 min，NaOH用量對石墨提純效果的影響見表4.由表4可見，NaOH和石墨的最佳質(zhì)量比為0.3.

表3 焙燒時間對石墨提純效果的影響

表4 NaOH用量對石墨提純效果的影響

2.4 H2SO4用量對提純效果的影響

將堿處理后的石墨用H2SO4酸洗，H2SO4用量對石墨提純效果的影響見表5.由表5可見，在酸與碳的質(zhì)量比為0.3時，石墨提純效果最好.

2.5 HCI用量對提純效果的影響

將H2SO4處理過的石墨用HCl處理，HCl用量對提純效果的影響見表6.由表6可見，在酸與碳的質(zhì)量比為0.3時，石墨提純效果最好.

表5 H2SO4酸用了對提純效果的影響

表6 HCl用量對提純效果的影響

采用石墨先焙燒，然后堿、酸處理的方式提純固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.12%的天然鱗片石墨，最終的產(chǎn)品固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到99.76%.這種方法具有實驗產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好等優(yōu)點，并且避免了高溫堿煅燒法的缺點.其技術(shù)要求為：（1）將石墨在550 ℃下焙燒40 min；（2）NaOH/石墨質(zhì)量比為0.3，90 ℃條件下反應(yīng)60 min；（3）酸量與碳之比為0.3，煮沸60 min；（4）水洗溫度為80 ℃，水洗時間為60 min.

［1］ 李建軍.天然石墨鋰離子電池負(fù)極材料的循環(huán)性能研究［J］.碳素技術(shù)，2000（4）：5-7

［2］ 賴奇.攀枝花細(xì)鱗片石墨制備高純石墨的幾種方法［J］.攀枝花學(xué)院學(xué)報，2007，24（3）：10-14

［3］ 殷景峰.石墨提純方法簡述［J］.炭素，2015（2）：35-37

［4］ 葛鵬.石墨提純化學(xué)方法進(jìn)展［J］.金屬礦山，2010（10）：38-42

［5］ 李長清.液相化學(xué)法制取高純石墨研究［J］.非金屬礦，2002，25（2）：35-37

［6］ 王瑛瑋，武鵬，徐長耀.高溫煅燒法提純隱晶質(zhì)石墨［J］.炭素，2008（1）：26-29

［7］ 張清岑，劉建平，肖奇.隱晶質(zhì)石墨提純工藝中的焙燒動力學(xué)研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報，2005，36（1）：29-34

［8］ 張洪波，李悅，張忠新.焙燒活化隱晶質(zhì)石墨提純實驗研究［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2014（1）：61-65

Study on the activation and purification mechanism of scaly graphite from the anode material of lithium ion battery

LIU Jing-yu
（Department of Environmental Engineering，Heilongjiang University of Technology，Jixi 158100，China）

A novel graphite purification method is studied that the graphite is roasted firstly and then handled with NaOH，H2SO4，HCl.The best processing condition is confirmed through the research.The results show that the new process can purify the scaly graphite with the fixed carbon content of 95.12% to 99.76%.

lithium ion battery；natural graphite；purification；NaOH；H2SO4；HCl

TU521.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.06.014

1007-9831（2016）06-0048-02

2016-04-17

黑龍江省自然科學(xué)基金項目（E200838）

劉靜宇（1980-），男，黑龍江雞西人，講師，碩士，主要從事礦物分離提純研究.E-msil：liujingyu2p@163.com