一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料及其制备方法技术

针对现有霍尔槽中含锂高，严重影响正常生产的问题，本发明专利技术公开一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有一层抗氧化涂层或基体表面从内到外依次有电解质阻挡层、抗氧化涂层。本发明专利技术涉及的材料的制备方法包括以下步骤：(1)将混捏好的基体糊料放入成型模具内成型；(2)将电解质阻挡层前驱体放入成型模具中一体成型；(3)生坯焙烧，石墨化焙烧处理；(4)表面涂覆抗氧化涂层。本发明专利技术涉及的材料脱嵌锂的选择性好、容量大、寿命长，可以为从电解铝电解质中高效脱除锂提供材料基础。

A Cathode Carbon Material for Deintercalation of Lithium-Rich Electrolyte and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料及其制备方法
本专利技术属于铝电解
，特别涉及一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，部分电解铝企业采用国内富锂氧化铝进行电解生产时，电解质中锂盐含量大幅上升，造成电解温度低，炉底沉淀多，炉帮空，电解槽稳定性差，电流效率降低，能耗高，甚至出现滚铝现象。造成这种现象的原因是氟化锂浓度过高，显著降低电解质初晶温度，影响了氧化铝的熔解性。脱除电解质中部分锂，使氟化锂浓度保持在合理的范围对铝电解过程的稳定运行有重要意义。申请人在专利“一种脱除霍尔槽含锂电解质中锂的方法”(申请号201710678027.X)中提出一种用于脱除霍尔槽含锂电解质中锂的方法，其特征在于该方法在熔盐电解槽中实现，电解槽的阳极为碳阳极或惰性阳极，阴极用石墨阴极。通过控制还原电压，使电解质熔体中的锂离子优先还原嵌入石墨阴极中，当阴极中锂含量达到要求后，用富含锂的阴极作氯化镁熔盐电解的阳极，电解时石墨电极中的锂可以进入氯化物熔盐和金属镁中，进入镁电解熔盐中的锂可以提高电解质的导电性，电解所得的含锂金属镁可以用于制取镁锂合金。该方法可以降低霍尔槽含锂电解质中锂，并为有效利用锂提供条件。该方法除了需要控制电化学反应的参数外，还对阴极材料有特定的要求。该技术需要利用石墨材料的特殊结构和化学性质，实现锂优先进入石墨结构中，形成层间化合物，从而实现脱除霍尔槽含锂电解质中锂。石墨晶体属六方晶系，具有特殊的层状结构，层间距为0.34nm，这个尺寸大于锂原子的直径0.29nm，小于钠原子(原子直径0.44nm)和钾原子(原子直径0.45nm)的直径。由于锂原子直径小，锂更容易进入石墨层间形成层间化合物。而钾钠直径大，需要破坏石墨结构才能能形成层间化合物，难度相对更大。阴极极化作用后，锂、钠和钾会以化学和电化学方式与石墨形成层间化合物。同时锂较钠钾还原电位低，更容易还原。现有普通铝用阴极材料粘接相石墨化程度不够，不适合用于选择性脱除霍尔槽含锂电解质中锂。本专利技术提供一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，可以选择性脱嵌锂，同时为了进一步优化脱除锂的效果，对材料表面进行进一步处理，并提出这种特殊材料的制备方法。
技术实现思路
针对现有霍尔槽中含锂高，严重影响正常生产的问题，本专利技术提供一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料及其制备方法，本专利技术提供的材料脱嵌锂选择性高，容量大，寿命长，并可以为从电解铝电解质中高效脱除锂提供材料基础。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，所述阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有一层抗氧化涂层或基体表面从内到外依次有电解质阻挡层、抗氧化涂层。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，石墨化材料的基体表层粘接相石墨化度≥60％，厚度≥5mm。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，电解质阻挡层成分为碳质材料30％-50％，含硼材料30％-50％，二氧化钛0％-25％，粘接剂15％-30％，厚度≤10mm。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，电解质阻挡层中碳质材料为煅烧石油焦、石墨碎、煅烧无烟煤、石墨化石油焦的一种或几种；含硼材料是硼、碳化硼、氮化硼、氧化硼、硼酸中的一种或几种；粘结剂为煤沥青、煤焦油、树脂中的一种或几种。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，电解质阻挡层厚度为0.5-5mm。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，抗氧化涂层分为氧化铝基或铝基，采用氧化铝基涂层时厚度为0.5-2mm，采用铝基涂层时厚度10-200μm。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，抗氧化涂层为氧化铝基时，涂料成分及其含量是：硼酸30％-45％、磷酸30％-40％、氧化铝5％-25％、水10％-20％。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，抗氧化涂层为铝基时，采用电弧喷涂方式，铝源含铝99.7％以上。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将混捏好的基体糊料放入成型模具内成型；(2)将电解质阻挡层前驱体放入成型模具中一体成型；(3)生坯焙烧，石墨化焙烧处理；(4)表面涂覆抗氧化涂层。本专利技术的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的制备方法，制备过程中石墨化温度1800℃至3000℃，时间0.5-36小时。本专利技术提供了一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，由于对基体材料的石墨化度进行了严格要求，可以保证基体在脱嵌锂的过程中物理化学结构稳定，保证了每次锂脱嵌的容量，提高了脱嵌效率。在材料表面增加电解质阻挡层可以进一步提高脱嵌锂的效果，减少脱嵌过程中电解质的损失。增加抗氧化涂层可以提高材料的抗氧化性能，延长阴极使用寿命。本专利技术提出这种特殊材料的制备方法，可以获得具有上述特征的阴极碳材料。附图说明图1为一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的制备流程图。具体实施方式以下通过具体的实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。实施例1用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有两层性能改善层，从内到外依次是电解质阻挡层、抗氧化涂层。石墨化材料的基体表层粘接相石墨化度≥60％，厚度≥5mm。脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的制备方法包括以下步骤：(1)将混捏好的基体糊料放入成型模具内成型；(2)将电解质阻挡层前驱体放入成型模具中一体成型；(3)生坯焙烧，石墨化焙烧处理；(4)表面涂覆抗氧化涂层。电解质阻挡层前驱体组成是：碳质材料30％，含硼材料50％，二氧化钛5％，粘接剂15％。碳质材料为煅烧石油焦、石墨碎、煅烧无烟煤、石墨化石油焦，质量比为50：10：20：20。含硼材料是硼、碳化硼、氮化硼、氧化硼、硼酸，质量比20：20：20：20：20。粘结剂为煤沥青、煤焦油，质量比9:1。电解质阻挡层0.5mm。石墨化温度1800℃以上，时间36小时。抗氧化涂层为氧化铝基，涂料成分及其含量是：硼酸42％、磷酸38％、氧化铝10％、水10％，涂层厚度为0.5mm。实施例2用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有两层性能改善层，从内到外依次是电解质阻挡层、抗氧化涂层。石墨化材料的基体表层粘接相石墨化度≥70％，厚度≥10mm。脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的制备方法包括以下步骤：(1)将混捏好的基体糊料放入成型模具内成型；(2)将电解质阻挡层前驱体放入成型模具中一体成型；(3)生坯焙烧，石墨化焙烧处理；(4)表面涂覆抗氧化涂层。电解质阻挡层前驱体组成是：碳质材料30％，含硼材料30％，二氧化钛25％，粘接剂15％。碳质材料为煅烧石油焦，含硼材料是氧化硼。粘结剂为煤沥青、煤焦油，质量比8:2。电解质阻挡层1mm。石墨化温度2400℃以上，时间16小时。抗氧化涂层为铝基，采用电弧喷涂方式，铝源含铝99.99％，涂层厚度200μm。实施例3用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有抗氧化涂层。石墨化材料的基体表层粘接相石墨化度≥80％，厚度≥8mm。脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料的制备方法包括以下步骤：(1)将混捏好的基体糊料放入成型模具内成型；(2)生坯焙烧，石墨化焙烧处理；(3)表面涂覆抗氧化涂层。石墨化温度2600℃以上，时间10小时。抗氧化涂层为氧化铝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有一层抗氧化涂层或基体表面从内到外依次有电解质阻挡层、抗氧化涂层。

【技术特征摘要】
1.一种用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，阴极碳材料的基体是石墨化碳材料，基体表面有一层抗氧化涂层或基体表面从内到外依次有电解质阻挡层、抗氧化涂层。2.根据权利要求1所述的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，石墨化材料的基体表层粘接相石墨化度≥60％，厚度≥5mm。3.根据权利要求1所述的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，电解质阻挡层成分为碳质材料30％-50％，含硼材料30％-50％，二氧化钛0％-25％，粘接剂15％-30％，厚度≤10mm。4.根据权利要求3所述的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，电解质阻挡层中碳质材料为煅烧石油焦、石墨碎、煅烧无烟煤、石墨化石油焦的一种或几种；含硼材料是硼、碳化硼、氮化硼、氧化硼、硼酸中的一种或几种；粘结剂为煤沥青、煤焦油、树脂中的一种或几种。5.根据权利要求3所述的用于脱嵌富锂电解质中锂的阴极碳材料，其特征在于，电解质阻挡层厚度为0.5-5mm。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌林，汪艳芳，焦庆国，罗丽芬，周云峰，包生重，侯光辉，
申请(专利权)人：中国铝业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11