一种同炉制备锂电池负极用石墨和碳化硅的方法技术

本发明专利技术提供了一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法，其包括以下步骤：1)粉体制备：将无烟煤进行粉碎，制成粉体材料；2)高温石墨化：将步骤2)所得粉体材料置于坩埚内，所述坩埚外侧以通用分解石墨包覆，构成炉芯，将艾奇逊炉内依次装填保温料、生产碳化硅的反应料和所述炉芯，将艾奇逊炉通电，使炉芯温度达到1700～3300℃，煅烧后冷却取料，分别得到石墨和碳化硅。以无烟煤为原料，使用本发明专利技术方法制备的锂电负极材料，具有优异的电学性能，且工艺流程经济简单，同炉两种物料同时产出，大大节约了原料辅料和耗能成本，实现了节能生产。

Method for preparing graphite and silicon carbide for negative electrode of lithium battery by same furnace

The present invention provides a method for preparing a furnace with graphite and silicon carbide lithium battery cathode, which comprises the following steps: 1) powder preparation: anthracite was crushed, made of powder material; 2) high temperature graphitization: Step 2) placed in the crucible of the powder material, wherein the outer side of the crucible the general decomposition of graphite coating, a furnace core, the Acheson furnace successively filling insulation material, the reaction material and the production of silicon carbide furnace core, Acheson electric furnace, the furnace core temperature reaches 1700 to 3300 DEG C, after calcination cooling material, graphite and silicon carbide are obtained. Using anthracite as raw material, lithium ion battery anode material prepared using the method of the invention, excellent electrical properties, and the process is simple with two kinds of economy, furnace material and output, greatly saving raw material and energy costs, the implementation of energy-saving production.

【技术实现步骤摘要】
一种同炉制备锂电池负极用石墨和碳化硅的方法
本专利技术涉及锂电池负极用石墨材料和碳化硅的制备方法，具体涉及一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法。
技术介绍
碳材料因其具有高能量密度、高效率和长循环寿命等优点，被广泛应用于锂离子电池负极材料。目前，制备锂离子电池负极材料的制备原料主要以天然石墨与人造石墨两类。天然石墨虽有锂离子能嵌入/脱嵌的特性和优良的充、放电平台，但溶剂化的锂离子可以进入层间(溶剂分子与锂离子共嵌)，使石墨晶体的层间距扩大、体积膨胀、最终发生层离而形成新的表面，加大了首次不可逆容量。同时层离破坏了储锂结构，循环寿命缩短。人造石墨是将易石墨化碳经2800-3000℃高温处理后制的，人造石墨主要有中间相碳微球(MCMB)，石墨纤维等。MCMB是目前小型锂离子电池及动力电池大规模使用的负极材料之一，其缺点是不可逆容量较高，容量低于天然石墨。在人造石墨领域，煤炭作为世界上储量最为丰富、廉价的含碳矿物资源，在制备负极材料方面显示出独特的优势。煤在隔绝空气的条件下，经高温加热形成焦炭。不同煤化程度的煤形成了不同指标的焦炭。Dahn曾报道(J.D.Dahn,Tzheng,Y.Liu,J.S.Xue,Science270(1995)590.)高温干馏煤烟得到的焦炭具有储存锂离子的特性，其中在非石墨化炭中，高挥发性沥青煤因为具有最小的石墨化微晶结构，表现出较好的循环及倍率性能。但是，此种煤的密度较低，导致其焦化值更低，无法满足容量需求，且首次充放电的库伦效率也较低。因此需要一种碳原料，能有效提高其可逆容量、库伦效率等性能，且生产方便、具有较高的经济优势。再者，现有技术中锂电石墨负极材料的生产过程均为单独生产，比如用内热串接炉，制备工艺中往往需要使用密封体系、用惰性气体保护以保证产品纯度，并且需要添加额外的辅料或者无机酸对材料进行预先除杂，这使得现有方法对生产工艺的控制具有较高要求，并会引入易造成环境污染的排放料，且资源的有效利用率低，致使生产成本较高。此外，碳化硅也是煤原料经高温冶炼后常出产的材料，其具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，应用范围极为广泛。目前虽然我国碳化硅材料产量大，但其生产亦为单炉生产(如使用艾奇逊炉)，由于通电生产的本质，其耗能也极高，工艺流程耗时长，不符合我国节能发展的重要指导思想。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法。本专利技术采用以下技术方案实现上述目的：一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法，其包括以下步骤：1)粉体制备将无烟煤进行粉碎，制成粉体材料；2)高温石墨化将步骤1)所得粉体材料置于坩埚内，向具有炉基底、炉头/炉尾墙体和可移动炉墙板的艾奇逊炉内装填保温料、用于生产碳化硅的反应料和所述坩埚，填料后若干所述坩埚被设置于所述艾奇逊炉的炉头/炉尾墙体方向上，所述坩埚的外周以通用分解石墨完全包覆，构成炉芯层，所述炉芯层位于所述艾奇逊炉的中部；所述炉芯层的外周被所述反应料完全包覆，所述反应料的外周被贴合所述炉基底、墙体和墙板内壁的保温料完全包覆；将艾奇逊炉通电，使炉芯温度达到1700～3300℃，煅烧后冷却取料，分别得到石墨和碳化硅。本专利技术的艾奇逊炉为本领域惯用的艾奇逊炉，优选具有以下结构：所述艾奇逊炉的炉体1具有炉基底2，所述炉基底为凹槽型，且在所述凹槽的开口端的两个端部别具有向外延伸的端面201a和201b，所述炉基底的凹槽的横截面为开口大而底小的倒置梯形。所述炉基底的两个端面201a与201b分别由支柱6a和6b支撑，所述炉基底底部设有用于支撑其的多个支柱5，所述支柱6a和6b以及多个所述支柱5使所述炉基底悬空于地面。在所述炉基底的所述两个端面201a和201b上设有可移动的炉墙板4a和4b，在所述炉基底的另外两个侧面固设有将所述炉基底封堵住的炉头墙体3a和炉尾墙体3b且所述炉头墙体和炉尾墙体的高度均大于所述可移动炉墙板4a和4b的高度，以形成一个四周密封而上部开放的腔体。其中，所述可移动炉墙板由铸铁框架和填充于其中的耐火砖构成，且在填充时留有透气孔。所述炉头墙体和炉尾墙体分别由位于上下的耐火砖墙和位于其中部的导电石墨电极7a和7b组成。所述炉体除特别指出外，均以耐火砖构造。优选的进料方式为：1)从所述艾奇逊炉顶端装料，首先向所述炉基底铺设一定厚度的保温料，随后在分别向所述炉基底凹槽内插入两块平行于所述炉墙板且高于所述炉头墙体的高度的隔料板I，所述隔料板I与所述炉墙板等长，而后在所述隔料板I与炉墙板间装填与所述炉墙板等高的保温料；2)在两块隔料板I间铺设一定厚度的反应料，而后在两块隔料板I间，分别在所述炉基底凹槽内插入两块与所述炉墙板平行的且高于所述炉头墙体的隔料板II，所述隔料板II与所述炉墙板的长度相同；3)在两块隔料板II间于已铺好的反应料上铺设一定厚度的通用分解石墨，在其上等距平设若干个沿炉头炉尾墙体连线一字排开的装填有步骤2)所得粉体的坩埚，然后继续装填通用分解石墨至所述坩埚被所述通用分解石墨包覆，使得坩埚上层通用分解石墨具有一定厚度，形成炉芯层；4)在隔料板I和II间继续装填反应料，直至于炉芯层的上缘齐平；5)抽撤去除两块隔料板II，在两块隔料板I间一定厚度的反应料，使得反应料层在炉基底凹槽开口处的截面呈上窄下宽的梯形；6)抽撤去除两块隔热板I，从所述梯形反应料的顶部向下依照所述梯形保温料的外形铺设保温料，使得该步所铺设的保温料的外檐在炉基底凹槽开口处的截面，于所述炉墙板之上也构成上窄下宽的梯形形状，所述保温料的顶部与所述炉头炉尾墙体等高。最终进料后，所述若干个坩埚一字排列于艾奇逊炉的炉头/炉尾墙体方向，所述坩埚的外周通用分解石墨完全包覆，构成炉芯层，所述炉芯层位于所述艾奇逊炉的中部；所述炉芯的外周被所述反应料完全包覆，所述反应料的外周被贴合所述炉基底、墙体和墙板内壁的保温料完全包覆。本专利技术中所述炉芯层构成碳化硅生产中的电阻料，所述用于生产碳化硅的反应料构成用于锂电石墨负极材料生产的保温料。优选地，步骤1)的粉碎工序前还可包括将无烟煤预煅烧，形成煅烧聊的步骤，优选使用罐式煅烧炉或者电热煅烧炉进行预煅烧，形成罐式煅烧炉或者电热煅烧料后进行粉碎；优选所述预煅烧温度为1000～2000℃；所述预煅烧时间为8～30h。本专利技术所称罐式煅烧炉(俗称普煅炉)是本领域常规使用的，其以耐火砖火墙传出的热量间接加热碳质原料。本专利技术所称电热煅烧炉(俗称电煅炉)亦是本领域常规使用的，其借助电能转换为热能进行加热，被煅烧物料同时起着电阻发热体的作用。优选地，步骤1)中所得粉体材料具有的指标为：D10＝5～10μm；D50＝11～24μm；D90＝25～55μm；Dmax≤80μm；其中，Dn表示分布曲线中累积分布为n％时的最大颗粒的等效直径(平均粒径)，它的物理意义是粒径小于该等效直径的颗粒占n％。本专利技术中，只要所述粉体的粒径处于上述指标范围内，就能用于后续锂电负极材料的生产，不会因具有所限定范围内不同的数值而影响最终产品的电学性能。优选地，所述生产碳化硅的反应料包括碳原料和硅原料，其中碳元素和硅元素的摩尔比为0.5-0.8。优选地，所述碳原料包括无烟煤和石油焦，所述硅原料包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法，其包括以下步骤：1)粉体制备将无烟煤进行粉碎，制成粉体材料；2)高温石墨化将步骤1)所得粉体材料置于坩埚内，向具有炉基底、炉头/炉尾墙体和可移动炉墙板的艾奇逊炉内装填保温料、用于生产碳化硅的反应料和所述坩埚，填料后若干所述坩埚被设置于所述艾奇逊炉的炉头/炉尾墙体方向上，所述坩埚的外周以通用分解石墨完全包覆，构成炉芯层，所述炉芯层位于所述艾奇逊炉的中部；所述炉芯层的外周被所述反应料完全包覆，所述反应料的外周被贴合所述炉基底、墙体和墙板内壁的保温料完全包覆；将艾奇逊炉通电，使炉芯温度达到1700～3300℃，煅烧后冷却取料，分别得到石墨和碳化硅。

【技术特征摘要】
1.一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法，其包括以下步骤：1)粉体制备将无烟煤进行粉碎，制成粉体材料；2)高温石墨化将步骤1)所得粉体材料置于坩埚内，向具有炉基底、炉头/炉尾墙体和可移动炉墙板的艾奇逊炉内装填保温料、用于生产碳化硅的反应料和所述坩埚，填料后若干所述坩埚被设置于所述艾奇逊炉的炉头/炉尾墙体方向上，所述坩埚的外周以通用分解石墨完全包覆，构成炉芯层，所述炉芯层位于所述艾奇逊炉的中部；所述炉芯层的外周被所述反应料完全包覆，所述反应料的外周被贴合所述炉基底、墙体和墙板内壁的保温料完全包覆；将艾奇逊炉通电，使炉芯温度达到1700～3300℃，煅烧后冷却取料，分别得到石墨和碳化硅。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)的粉碎工序前还可包括将无烟煤预煅烧，形成煅烧料的步骤，优选使用罐式煅烧炉或者电热煅烧炉进行预煅烧，形成罐式煅烧料或者电热煅烧料后进行粉碎；优选所述预煅烧温度为1000～2000℃；所述预煅烧时间为8～30h。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤1)中所得粉体材料具有的指标为：D10＝5～10μm；D50＝11～24μm；D9...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐迎节，冀有俊，张校菠，杨忠福，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，神华宁夏煤业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11