焦炭的粉碎与整形工艺及其电化学性能的研究

摘要

近年来，锂电池的应用越来越广，开发高性能、低成本的负极材料一直是研究的重要方向。负极材料性能的影响因素主要有材料、粒径、形貌等因素。本文的目的旨在对一种价格便宜、来源广泛、含碳量高的石油焦进行粉碎整形，研究整形工艺条件对焦炭的粒径以及形貌的影响，另外研究焦炭的粒径、形貌以及石墨化等因素对其电化学性能的影响。本课题研究结果对于锂离子电池负极材料实际的生产应用具有重要的指导意义。
　　论文使用一种实验型颗粒整形机，对一种石油焦进行粉碎整形，通过激光粒度仪对焦粉的粒度分布进行表征，通过SEM对其形貌进行表征，通过振实密度仪对其振实密度进行表征，研究粉碎整形工艺条件对焦粉粒径及形貌的影响。结果发现:(1)整形机可以有效的控制样品的粒径分布;(2)粉碎过程中，主机频率减小，或是分级机频率减小，或是引风机频率增大都可以有效的增大粉碎样品的粒径，其中分级机频率对其影响最大;(3)整形过程中，主机频率越大，样品的粒径越小，形貌也更不规则，增大分级机的频率可以有效地减少样品中的细粉，样品的粒径也会变大，分级机的频率过大或是过小对样品的形貌都不利;(4)一次整形的样品中有较多的细粉以及大颗粒，需要对整形后的样品进行二次整形;(5)通过对样品进行二次整形，可以有效减少样品中的细粉;(6)通过对样品进行振筛分级处理，可以有效的减少样品中较大的颗粒。(7)最优工艺条件为:粉碎时主机频率在45Hz，分级机频率在15Hz，引风机频率为25Hz时，整形时主机频率为35Hz，分级机频率为18Hz，引风机频率为30Hz。此时得到的焦粉的粒径在20μm左右，微观形貌较为规则，呈类土豆状。
　　分别研究粒径、形貌、整形工艺及石墨化处理对焦炭电化学性能的影响。结果表明:(1)焦炭粒径D50在5～26μm之间时，随着粒径的增大，首次嵌锂比容量先增大后减小，当D50为18μm时达到最大，首次嵌锂比容量为364.3mAh/g，可逆比容量为264.2mAh/g;(2)首次库伦效率随粒径的增大而增大，从66.8％增大到72.5％;(3)二次整形焦粉的首次库伦效率提高约10％，振筛焦粉的首次放电比容量提高约15％;(4)煤沥青中间相的结晶度比石油焦焦高，但是其首次充电、放电比容量都较煅烧焦差，循环性能较煅烧焦好;煤沥青中间相的首次库伦效率为82％，煅烧焦的首次库伦效率为72％;(5)石墨化可以明显提高焦炭的首次充放电容量，石油焦的首次可逆容量达到了343.8mAh/g，首次库伦效率达到87％左右，循环性能也变好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 石油焦的概述

1．1．1 石油焦的用途

1．1．2 石油焦的分类

1．1．3 煅烧石油焦

1．1．4 石油焦的市场现状

1．1．5 石油焦的新用途

1．2 针状焦的概述

1．2．1 油系针状焦和煤系针状焦

1．2．2 煤焦油沥青的预处理方法

1．3 石墨类材料电化学性能的影响因素

1．3．1 SEI膜对碳负极材料的影响

1．3．2 石墨类负极材料粒径大小对脱嵌锂性熊的影响

1．3．3 电极材料微观形貌对其嵌锂性能的影响

1．3．4 其他因素对嵌锂性能的影响

1．4 锂电负极材料的概述

1．4．1 锂电负极材料的要求

1．4．2 锂电负极材料的分类

1．4．3 常见负极材料性能的对比

1．5 课题研究的意义及创新点

第二章 实验部分

2．1．3 整形机的工作原理

2．1．4 粉碎过程

2．1．5 整形过程

2．1．6 除去成品中的细粉以及大颗粒

2．2 煤沥青的聚合

2．3 粒度测试

2．4 振实密度测试

2．5 扫描电镜SEM测试

2．6 偏光分析

2．7 灰分测试

2．8 石墨化

2．9 X-射线衍射分析(XRD)

2．10 X-射线光电子能谱分析(XPS)

2．10．1 负极材料的混浆、涂膜、压片、成形

2．10．2 CR2016型扣式电池的组装

2．10．3 电池的容量测试

2．10．4 电池的倍率性能测试

2．10．5 电池的循环伏安特性测试(CV)

2．10．6 电池的交流阻抗测试(EIS)

2．11 实验所用到的实验设备、样品的编号及产地

第三章 焦炭的粉碎与整形工艺

3．1 粉碎工艺对焦粉粒径的影响

3．1．1 粉碎主机频率对粉碎粒径的影响

3．1．2 粉碎分级机频率对粉碎粒径的影响

3．1．3 引风机频率对粉碎粒径的影响

3．2 整形工艺对焦粉粒径及形貌的影响

3．2．1 不清理腔体，改变整形条件

3．3 改变粉碎条件，用同一整形条件整形

3．4 清理腔体再整形后焦粉的粒径及形貌变化

3．5 二次整形对样品粒径及形貌的影响

3．6 本章总结

第四章 电化学性能测试分析

4．1 不同粒径的石油焦电化学性能分析

4．1．1 粒径对可逆容量的影响

4．1．2 焦粉粒度对不可逆容量及首次库伦效率的影响

4．1．4 焦粉粒径对循环性能的影响

5．1．5 粒径对倍率性能的影响

5．2 粉碎与整形样品电化学性能对比

4．3 一次整形、二次整形和振筛对材料的性能的影响

4．3．1 样品的首次充放电性能

4．3．2 循环性能

4．4 石油焦和煤沥青中间相石墨化前后用作锂电负极材料的性能研究

4．1．1 煤沥青中间相半焦的制备

4．4．2 石油焦和煤沥青中间相以及石墨化后样品的物化性能分析

4．4．3 微晶结构分析

4．4．4 拉曼光谱分析

4．4．5 石油焦和煤沥青中间相的电化学性能

4．4．6 石墨化样品的电化学性能

4．4．7 石墨化前后石油焦的循环伏安特性测试

4．4．8 石墨化前后石油焦的交流阻抗测试

4．5 本章总结

第五章 全文总结

参考文献

研究成果

致谢

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