不同石墨化方式對人造石墨負極會產生怎樣的影響？

石墨化是人造石墨負極材料生產中的一個重要環(huán)節(jié)。石墨化工藝按照加熱方式可以分為直接法和間接法，按照運行方式可以分為間歇式和連續(xù)式。最早的石墨化技術是1985年艾奇遜發(fā)明的艾奇遜爐，隨著技術進步，在艾奇遜爐的基礎上，產生了箱體石墨化、連續(xù)式石墨化等技術。那么，不同石墨化方式對人造石墨負極材料性能會有什么樣的影響呢？針對此問題，研究人員分別把坩堝爐、箱體爐以及連續(xù)式石墨化爐對負極材料性能影響進行對比研究。

圖片來源：上海杉杉科技有限公司

研究者以油系針狀焦粉為原料，通過表面改性預處理，來制備人造石墨。分別在坩堝爐、箱體爐以及連續(xù)式石墨化爐中對針狀焦粉進行石墨化，取得三種樣品，并記作MCG（坩堝爐樣品）、MCX（箱體爐樣品）、MCL（連續(xù)式石墨化爐樣品）。之后，對三種樣品分別進行石墨化度測試、比表面積測試、容量和效率測試，并從石墨化度、容量、比表面積、石墨化均勻性四個角度做對比分析。

1、石墨化度

從石墨化度來看，通過比較三種樣品的XRD結果表明，坩堝爐樣品、箱體爐樣品峰度接近，連續(xù)式石墨化爐樣品強度最低。結合其他數(shù)據(jù)，可以看出箱體爐物料石墨化度與坩堝爐較為接近，水平相當，而連續(xù)式工藝石墨化度略低于以上兩者的水平。

樣品XRD測試結果

不同石墨化樣品分析結果

2、容量

炭材料石墨化后，形成有序的層狀結構，用作負極材料時，鋰離子嵌入石墨層間，形成嵌鋰化合LixC6(0≤x≤1），理論容量可達372mAh/g(x=1)，材料的容量能夠直接反映材料的石墨化度。從容量來看，材料的測試結果反映了與石墨化度一致的行為，石墨化度越高，其容量越大。

3、比表面積

比表面積的改變直接影響電池的加工工藝參數(shù)，是負極材料重要的測試指標之一。從表面特性來看，箱體爐試樣比表面積較高，與其出爐溫度較高有關，連續(xù)石墨化爐物料經過充分的冷卻，保持了較低的比表面積。

4、石墨化均勻性

負極材料作為鋰離子電池關鍵材料之一，其一致性要求是材料的重要指標。

研究人員在坩堝爐、箱體爐內的不同位置取樣，連續(xù)石墨化爐每間隔1.5h取樣1次，對樣品均勻性進行測試分析。

坩堝爐中，坩堝分為2層，從爐中不同位置取樣，從測試數(shù)據(jù)看，上層與下層物料整體容量與石墨化度一致性較好，且上、下層中不同位置物料石墨化度基本趨向一致，爐頭與爐尾無明顯差別，下層物料比表面積較上層略低，與出爐晚、物料溫度低、氧化程度小有關。

箱體爐中，在爐頭和爐尾取上、中、下層物料，上層物料由于溫度分布的原因，比中下層物料容量、石墨化度低，中、下層物料的一致性較好。與坩堝爐相比，水平相當，但物料均勻性略差，未來需要優(yōu)化裝爐工藝，提升均勻性。

連續(xù)石墨化爐不同時間取樣結果表明，在整個溫度場內，材料的容量與石墨化度均接近，一致性較好，但整體上較坩堝爐、箱體爐樣品低，同時材料的比表面積較小，穩(wěn)定性好。

通過以上不同角度對比分析，首先，3種工藝都可以用來加工人造石墨負極材料，坩堝爐是目前最穩(wěn)定可靠的石墨化工藝，但是進一步改進空間有限。其次，箱體石墨化具備裝爐量大、噸耗低、環(huán)境友好等優(yōu)勢，技術發(fā)展較快，并且取得了實際的產業(yè)化應用。再次，連續(xù)石墨化加工周期短，噸耗低，但加工高石墨化度負極材料較為困難，需要積極探索其應用領域。

參考來源：

1、喬永民等.石墨化方式對鋰離子電池人造石墨負極材料性能的影響

2、王楠.我國石墨化工藝設備的現(xiàn)狀及展望

3、呂博等.鋰電池負極石墨化爐技術現(xiàn)狀與發(fā)展方向

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