锂电池负极材料改性石墨CGS制备工艺研究

1.  项目概要

锂离子电池负极材料- 改性石墨CGS是以球形天然石墨为原料，以煤焦油沥青和石油沥青的混合物为另一种原料，两种原料与添加剂按一定比例进行固液混合，在一定温度范围内进行聚合反应，然后萃取、干燥、炭化和石墨化获得一种天然石墨表面包覆石墨化中间相层的锂离子电池碳负极材料。这种碳负极材料具有比容量高、循环寿命长等优点，是一种理想的碳负极材料。

产品主要技术指标：首次放电比容量≥350mAh/g，首次放电效率≥92%，振实密度≥1.15 g/cm3，循环次数≥500周，放电容量保持80%以上。

该项目创新之处在于，采用特殊的工艺技术在天然石墨表面包覆石墨化中间相层，改善了石墨与电解质溶液相容性，提高了高倍率充放电性能，阻止了充电过程中溶剂分子进入石墨层间而引起石墨层剥落现象，从而提高了电池的循环性能；另一方面，经过包覆后大幅度降低了原料天然石墨的比表面积，提高了振实密度，有利于提高电池首次效率，改善了加工性能。

本项目具有新颖性和广泛应用性，该项目总体技术处于国内领先并达到国际先进水平。

2.  项目来源及应用领域

锂离子电池是在锂电池的研究基础上发展起来的一种新型高能电池，于20世纪90年代初由日本SONY公司率先研制成功并推向市场，它是以嵌锂碳材料替代金属锂或锂合金作负极，克服了锂二次电池在电极表面锂的枝晶化问题。它既保持了锂电池高电压、高比能等主要优点，又具有循环寿命长、安全性好及使用温度范围宽等显著特点。锂离子二次电池在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等领域展示了广阔的应用前景。

改性石墨负极材料CGS技术开发生产这一项目，可满足锂离子电池厂家需要，产品的各项主要指标优于国际同类产品水平，它的成功开发投产，替代了进口，节约了锂电生产企业的外汇投入。通过对我国工业沥青综合利用的新途径，使得该化工副产品成为高附加值的高科技新材料，从而推动炼焦化学行业的技术进步，促进我国电池新能源产业的发展，带动信息产业，具有重要意义。CGS产品可适用于开发生产小型电子便携设备的锂离子动力电池负极材料。

3.  技术方案和技术特征

3.1  工艺流程

CGS 制备工艺流程图见图1。CGS的工艺流程是：以球形天然石墨为原料，以煤焦油沥青和石油沥青混合物为另一种原料，两种原料与添加剂按一定的比例进行固液混合，在一定的温度、压力条件下，进行聚合反应，控制一定反应时间，在萃取和分离后进行干燥，再通过炭化和石墨化获得一种天然石墨表面包覆石墨化中间相层的锂离子电池碳负极材料，检验合格后包装入库。

3.2  技术方案的主要特点

3.2.1   技术关键

(1)开发高固体含量固液混合器为实现天然石墨微粒表面处理的均匀性和一致性，从而

实现产品的稳定性，开发高固体含量的固液混合器，使混料能够均匀混合，且固液界面无气相，可流态化输送，从而使包覆层均匀稳定。

(2)解决液相固化量精确控制问题

为了获得理想的锂离子电池负极材料，在原料中加入一定量的添加剂，抑制了颗粒间的粘结，可以很好地控制球径大小，实现CGS 形态最佳化。

(3)与现有CMS工艺优化组合问题

为更好利用公司现有的研发及生产设备，不造成资源的浪费，进行与现有工艺优化组合。

(4)开发新的分离和热处理技术

以天然石墨为基质在其表面包覆另一种有不同结构特点的炭材料，通过开发新的分离技术，经过新的高温热处理等工艺手段，获得一种天然石墨表面包覆石墨化中间相层的锂离子电池碳负极材料，包覆层结合性好，均匀稳定，在提高产品放电容量同时改善循环特性。

3.2.2   解决途径

在生产过程中利用自主发明的包覆技术，实现了天然微粒表面处理的均匀性和一致性，从而为实现产品的稳定性提供了保证。设置了溶剂回收系统，不仅降低生产成本，稳定中间产品质量，而且实现了资源的再利用。生产装置在工艺、设备、自动控制和电器等方面的系统匹配和集成比较成功，不仅实现了全装置长周期正常、稳定的运转而且保证了产品质量达到标准要求。设备在消防安全、系统防护、工业卫生和三废治理等方面措施有利、得当，从设计和运行结果看均达到了国家相关规范的要求。