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锂离子电池被誉为第三代“绿色电源”，在新能源领域中受到青睐，广泛应用于手机、笔记本、数码产品及动力汽车电源电池。人造石墨具有较高的比容量、循环性能、低温充放电性能以及较高的性价比，因此成为主要的锂离子电池负极材料。由于人造石墨负极材料的焦炭原料来源不同，其应用性能和范围也不同。本文通过对煤系焦采用不同工艺和指标控制，制备出锂离子电池石墨负极材料，研究对比其性能差异和优势，以及对锂离子电池的性能发挥的影响。
1. 实验部分
1.1 测试仪器
马尔文2000激光粒度测试仪；KYKY－EM3900扫描电子显微镜；BT-1000粉体综合特性测试仪；3H-2000BET-A智能型全自动氮吸附比表面仪；SIEMENS D5000衍射仪；美国SPEX 1402型拉曼光谱仪；蓝电电子CT2001A型电池测试柜；新威CT-3008W-5V3A-S1型电池测试柜。
1.2 原料预处理
将优选煤系针状焦和油系针状焦，分别经机械粉碎、分级，粒度D50控制分别为11~13μｍ和18~20μｍ的粉体。
1.3 焦炭制备负极材料实验
1.3.1 材料的制备
将两种粒度的煤系针状焦、沥青焦和油系焦粉体分别加入5%比例的中温沥青进行表面包覆改性，改性温度在300~600℃。取微量试样，用扫描电子显微镜观察其改性形貌特征。然后在特制石墨化炉中进行石墨化处理，热处理温度为3000℃，再经过分级、筛分等后续处理，分别得到以煤系针状焦为原料制备的试样MC10(D50：11~13μｍ)，MC15（D50：18~
20μｍ）；以沥青焦为原料制备的试样LC10（D50：11~13μｍ），LC15（D50：11~13 μｍ）；以石油焦为原料制备的试样YC10（D50：11~13μｍ），YC15（D50：18~20μｍ）等6种试样。
1.3.2 物理指标测试
对1.3.1制备的MC10、MC15、LC10、LC15、YC10、YC15，6个试样进行粒度、振实密度、比表面积、真密度和石墨化度检测。
1.3.3 扣式电池测试
将以上4个试样分别按石墨：CMC：SBR：Super－P＝95.0：1.5：2.0：1.5的比例制成浆料，涂在铜箔上，经烘干、压实后制成负极片，组装成LIR2430型扣式半电池，采用自制两电极模拟电池测试模具，电池组装在充满氩气的手套箱中进行。
1.3.4 全电池循环测试
将以上4个试样分别按石墨：CMC：SBR：Super－P＝95.0：1.5：2.0：1.5的比例制成浆料，涂在铜箔上，经烘干、压实后制成负极片；按照全电池的制作工步制作成软包电池。
2. 结果与讨论
2.1粒度控制对煤系焦、沥青焦和油系焦制备负极材料的加工性能影响
图1、图2、图3分别为经过改性后的煤系焦、沥青焦和油系焦的扫描电镜照片。如图所示，改性后的煤系焦粉体颗粒棱角明显，而改性后的沥青焦和油系焦粉体颗粒均成球形，各向同性较好。
表1为粒度、振实密度、比表面积、石墨化度、反弹率对比测试结果。经物理指标测试结果显示，相同温度下进行石墨化，煤系焦石墨化度低于油系焦，而高于沥青焦，煤系焦比油系焦较难石墨化，比沥青焦易于石墨化。同时，控制材料的粒度，影响其比表面积和振实密度及加工反弹性，其中，加工反弹测试结果显示，煤系焦较油系焦的加工性能好，物理反弹和热温反弹均较低。而沥青焦难于压实，没有进行反弹测试。
3. 结论
通过对比实验得到如下结论：
（1）煤系焦改性后的形貌菱角较分明，成片状结构，球形度相比沥青焦和油系焦较差。在实际生产中应考虑材料的配向性对嵌锂速率的影响，改善材料的形貌，以及降低比表面积，提高材料应用性能。在相同温度条件下进行石墨化，煤系焦的石墨化度低于油系焦而高于沥青焦，说明煤系焦较油系焦难于石墨化，石墨化温度一般应控制在280~3100℃为宜，温度过低会导致材料的压实密度和容量低，温度过高则会减少SP3杂化，对溶剂化锂离子嵌入的阻挡力减弱，使得溶剂化锂离子嵌入碳层形成不可逆容量甚至在内应力的作用下使碳层脱落，降低循环性能。
（2）以煤系焦为原料制备的人造石墨，其扣电的首次放电容量和效率均较高，相当于油系焦的性能水平，并明显优于沥青焦的电性能，且物理反弹率和热温反弹率均较低，在加工性能和安全性能方面比较有优势。在全电池循环测试过程中，其电极膨胀较小。MC10小粒径规格材料可以考虑应用在长循环、高倍率的电池上；MC15大粒径规格材料可考虑应用在高压实、高容量类的高能量密度电池上。
