鋰離子電池被譽為第三代“綠色電源”，在新能源領(lǐng)域中受到青睞，廣泛應(yīng)用于手機、筆記本、數(shù)碼產(chǎn)品及動力汽車電源電池。人造石墨具有較高的比容量、循環(huán)性能、低溫充放電性能以及較高的性價比，因此成為主要的鋰離子電池負極材料。由于人造石墨負極材料的焦炭原料來源不同，其應(yīng)用性能和范圍也不同。本文通過對煤系焦采用不同工藝和指標控制，制備出鋰離子電池石墨負極材料，研究對比其性能差異和優(yōu)勢，以及對鋰離子電池的性能發(fā)揮的影響。

1.      實驗部分

1.1   測試儀器

馬爾文2000激光粒度測試儀；KYKY－EM3900掃描電子顯微鏡；BT-1000粉體綜合特性測試儀；3H-2000BET-A智能型全自動氮吸附比表面儀；SIEMENS D5000衍射儀；美國SPEX 1402型拉曼光譜儀；藍電電子CT2001A型電池測試柜；新威CT-3008W-5V3A-S1型電池測試柜。

1.2 原料預(yù)處理

將優(yōu)選煤系針狀焦和油系針狀焦，分別經(jīng)機械粉碎、分級，粒度D50控制分別為11~13μｍ和18~20μｍ的粉體。

1.3 焦炭制備負極材料實驗

1.3.1   材料的制備

將兩種粒度的煤系針狀焦、瀝青焦和油系焦粉體分別加入5%比例的中溫瀝青進行表面包覆改性，改性溫度在300~600℃。取微量試樣，用掃描電子顯微鏡觀察其改性形貌特征。然后在特制石墨化爐中進行石墨化處理，熱處理溫度為3000℃，再經(jīng)過分級、篩分等后續(xù)處理，分別得到以煤系針狀焦為原料制備的試樣MC10(D50：11~13μｍ)，MC15（D50：18~

20μｍ）；以瀝青焦為原料制備的試樣LC10（D50：11~13μｍ），LC15（D50：11~13    μｍ）；以石油焦為原料制備的試樣YC10（D50：11~13μｍ），YC15（D50：18~20μｍ）等6種試樣。

1.3.2   物理指標測試

對1.3.1制備的MC10、MC15、LC10、LC15、YC10、YC15，6個試樣進行粒度、振實密度、比表面積、真密度和石墨化度檢測。

1.3.3   扣式電池測試

將以上4個試樣分別按石墨：CMC：SBR：Super－P＝95.0：1.5：2.0：1.5的比例制成漿料，涂在銅箔上，經(jīng)烘干、壓實后制成負極片，組裝成LIR2430型扣式半電池，采用自制兩電極模擬電池測試模具，電池組裝在充滿氬氣的手套箱中進行。

1.3.4   全電池循環(huán)測試

將以上4個試樣分別按石墨：CMC：SBR：Super－P＝95.0：1.5：2.0：1.5的比例制成漿料，涂在銅箔上，經(jīng)烘干、壓實后制成負極片；按照全電池的制作工步制作成軟包電池。

2.  結(jié)果與討論

2.1粒度控制對煤系焦、瀝青焦和油系焦制備負極材料的加工性能影響

圖1、圖2、圖3分別為經(jīng)過改性后的煤系焦、瀝青焦和油系焦的掃描電鏡照片。如圖所示，改性后的煤系焦粉體顆粒棱角明顯，而改性后的瀝青焦和油系焦粉體顆粒均成球形，各向同性較好。

　表1為粒度、振實密度、比表面積、石墨化度、反彈率對比測試結(jié)果。經(jīng)物理指標測試結(jié)果顯示，相同溫度下進行石墨化，煤系焦石墨化度低于油系焦，而高于瀝青焦，煤系焦比油系焦較難石墨化，比瀝青焦易于石墨化。同時，控制材料的粒度，影響其比表面積和振實密度及加工反彈性，其中，加工反彈測試結(jié)果顯示，煤系焦較油系焦的加工性能好，物理反彈和熱溫反彈均較低。而瀝青焦難于壓實，沒有進行反彈測試。

3.  結(jié)論

通過對比實驗得到如下結(jié)論：

（1）煤系焦改性后的形貌菱角較分明，成片狀結(jié)構(gòu)，球形度相比瀝青焦和油系焦較差。在實際生產(chǎn)中應(yīng)考慮材料的配向性對嵌鋰速率的影響，改善材料的形貌，以及降低比表面積，提高材料應(yīng)用性能。在相同溫度條件下進行石墨化，煤系焦的石墨化度低于油系焦而高于瀝青焦，說明煤系焦較油系焦難于石墨化，石墨化溫度一般應(yīng)控制在280~3100℃為宜，溫度過低會導(dǎo)致材料的壓實密度和容量低，溫度過高則會減少SP3雜化，對溶劑化鋰離子嵌入的阻擋力減弱，使得溶劑化鋰離子嵌入碳層形成不可逆容量甚至在內(nèi)應(yīng)力的作用下使碳層脫落，降低循環(huán)性能。

（2）以煤系焦為原料制備的人造石墨，其扣電的首次放電容量和效率均較高，相當(dāng)于油系焦的性能水平，并明顯優(yōu)于瀝青焦的電性能，且物理反彈率和熱溫反彈率均較低，在加工性能和安全性能方面比較有優(yōu)勢。在全電池循環(huán)測試過程中，其電極膨脹較小。MC10小粒徑規(guī)格材料可以考慮應(yīng)用在長循環(huán)、高倍率的電池上；MC15大粒徑規(guī)格材料可考慮應(yīng)用在高壓實、高容量類的高能量密度電池上。