石墨化爐在針狀焦材料發(fā)展中有不可缺少的作用
石墨化爐在針狀焦材料發(fā)展中有不可缺少的作用
石墨化爐熱處理過(guò)的針狀焦作為一種新型炭材料，因其易于石墨化、電導(dǎo)率高、價(jià)格低廉、灰分低等優(yōu)異特性，逐漸成為一種優(yōu)質(zhì)的鋰離子電池負(fù)極材料wu,且已占據(jù)日本近60%的市場(chǎng).近期，國(guó)內(nèi)在針狀焦的生產(chǎn)技術(shù)上取得了較大突破，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)，但其用作鋰離子電池負(fù)極材料的研究較少.
一般軟炭(如瀝青焦、石油焦等)經(jīng)過(guò)2500?3000℃的石墨化爐熱處理后，會(huì)轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，但該過(guò)程極其復(fù)雜，既涉及石墨微晶在徑/軸向的有序排列、晶界的消失、晶體界面處C-C六圓環(huán)的形成、晶體的生長(zhǎng)，還涉及石墨層邊界處不飽和碳原子的催化反應(yīng)、碳原子或氣體分子的熱震動(dòng)、石墨微晶的各向異性特性、石墨層層間的范德華力等微觀熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)行為.目前，熱處理溫度與材料石墨微晶參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系巳得到系統(tǒng)研究，而石墨化機(jī)理的基礎(chǔ)研究較少.本工作以煤系針狀焦為原料，在分析熱處理溫度對(duì)針狀焦微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，深入研究了針狀焦的石墨化機(jī)理及其用作鋰離子電池負(fù)極材料的電極性能和儲(chǔ)鋰機(jī)制.
將煤系針狀焦機(jī)械粉碎后，用。45岬篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，置入炭化爐，先以5°C/min的升溫速率分別升溫至700P、1000°C,1500°C,并標(biāo)記為NC700、NC1000、NC1500;格樣品置于高溫石墨化爐，先以15-C/min的升溫速率升至1500℃,再以7°C/min的升溫速率升至2250℃、2800℃并恒溫30tnin,降至室溫后得到石墨化樣品，相應(yīng)標(biāo)記為NC2250、NC2800。
在1500-2250℃的高溫石墨化爐石墨化過(guò)程中，體系獲得更大的能量，在表面能以及大兀健的作用下，石墨微晶沿軸向發(fā)生平行排列；同時(shí)，體系中碳原子的熱震動(dòng)頻率增大,平行于平面網(wǎng)格方向的振幅增大，使得晶體平面上的位錯(cuò)線和晶界逐漸減少，并放出潛熱。
隨著石墨化爐石墨化溫度的繼續(xù)升高，碳的蒸發(fā)率以指數(shù)式上升，這時(shí)體系中充滿各種碳原子或氣體分子，且石墨微晶在徑向的間距接近分子水平；在石墨層邊緣碳的自催化以及界面能的推動(dòng)力作用下，各種游離的碳原子與相鄰石墨微晶的邊緣碳發(fā)生反應(yīng)，形成C-C六圓環(huán)；在范德華力作用下，石墨層的“褶皺”消失，并趨向平面結(jié)構(gòu)，終形成三維有序的石墨化針狀焦。針狀焦經(jīng)過(guò)2800℃的高溫?zé)崽幚砗?，終逐步轉(zhuǎn)化成三維有序的石墨結(jié)構(gòu)。
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