石墨化爐在針狀焦材料發展中有不可缺少的作用
石墨(mo)化爐在(zai)針狀焦(jiao)材料發展中有不(bu)可(ke)缺(que)少的作用
石墨化爐熱處理過的(de)針(zhen)狀焦作為(wei)一種(zhong)新型炭材(cai)料(liao),因其易于石墨化、電(dian)導率高、價格低(di)廉、灰(hui)分低(di)等優異特性,逐(zhu)漸成為(wei)一種(zhong)優質的(de)鋰離(li)子(zi)電(dian)池負(fu)極材(cai)料(liao)wu,且已占據日本近60%的(de)市(shi)場.近期,國內(nei)在針(zhen)狀焦的(de)生產技術上取得了較大(da)突破,實(shi)現了規模生產,但(dan)其用作鋰離(li)子(zi)電(dian)池負(fu)極材(cai)料(liao)的(de)研究較少(shao).

一(yi)般軟炭(如瀝青焦(jiao)、石油焦(jiao)等)經過2500?3000℃的(de)(de)(de)(de)石墨(mo)化爐熱處理(li)后,會轉化為(wei)(wei)石墨(mo)結(jie)構(gou),但該過程極其(qi)(qi)復雜,既涉及(ji)(ji)石墨(mo)微晶(jing)(jing)在徑/軸向的(de)(de)(de)(de)有序排列、晶(jing)(jing)界的(de)(de)(de)(de)消失(shi)、晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)界面處C-C六圓環的(de)(de)(de)(de)形成、晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)長(chang),還涉及(ji)(ji)石墨(mo)層邊界處不飽和(he)碳(tan)原(yuan)子的(de)(de)(de)(de)催化反應(ying)、碳(tan)原(yuan)子或氣體(ti)(ti)(ti)分(fen)子的(de)(de)(de)(de)熱震(zhen)動、石墨(mo)微晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)各(ge)向異性特(te)性、石墨(mo)層層間的(de)(de)(de)(de)范德華力(li)等微觀(guan)熱力(li)學或動力(li)學行為(wei)(wei).目前,熱處理(li)溫度與(yu)材(cai)料石墨(mo)微晶(jing)(jing)參數之間的(de)(de)(de)(de)內(nei)在關系巳得到系統研(yan)究,而石墨(mo)化機(ji)理(li)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)研(yan)究較少.本工(gong)作(zuo)以(yi)煤系針狀(zhuang)焦(jiao)為(wei)(wei)原(yuan)料,在分(fen)析熱處理(li)溫度對針狀(zhuang)焦(jiao)微結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)影響規律的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上,深入研(yan)究了針狀(zhuang)焦(jiao)的(de)(de)(de)(de)石墨(mo)化機(ji)理(li)及(ji)(ji)其(qi)(qi)用(yong)作(zuo)鋰離子電池負極材(cai)料的(de)(de)(de)(de)電極性能和(he)儲鋰機(ji)制.
將煤系針狀焦機械粉碎后(hou)(hou),用。45岬篩網(wang)進行篩分,置入炭(tan)化爐(lu),先(xian)以5°C/min的升(sheng)溫(wen)速(su)率分別升(sheng)溫(wen)至(zhi)700P、1000°C,1500°C,并標(biao)記(ji)為(wei)NC700、NC1000、NC1500;格(ge)樣品(pin)(pin)置于高溫(wen)石墨化爐(lu),先(xian)以15-C/min的升(sheng)溫(wen)速(su)率升(sheng)至(zhi)1500℃,再以7°C/min的升(sheng)溫(wen)速(su)率升(sheng)至(zhi)2250℃、2800℃并恒溫(wen)30tnin,降(jiang)至(zhi)室溫(wen)后(hou)(hou)得到石墨化樣品(pin)(pin),相應(ying)標(biao)記(ji)為(wei)NC2250、NC2800。
在1500-2250℃的(de)(de)高溫石墨(mo)化(hua)爐石墨(mo)化(hua)過程中,體(ti)系(xi)獲得更(geng)大的(de)(de)能(neng)量,在表面能(neng)以及大兀健的(de)(de)作(zuo)用下,石墨(mo)微晶沿軸向發生平行(xing)排列;同時,體(ti)系(xi)中碳原(yuan)子的(de)(de)熱震動頻率(lv)增(zeng)大,平行(xing)于平面網格方向的(de)(de)振幅增(zeng)大,使得晶體(ti)平面上的(de)(de)位錯(cuo)線和晶界逐漸減少,并放出潛熱。
隨著(zhu)石墨(mo)化(hua)爐石墨(mo)化(hua)溫度的(de)(de)(de)(de)繼續升(sheng)高,碳(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)蒸發率以指數式上升(sheng),這時體系(xi)中充滿各(ge)種碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)子(zi)或氣體分子(zi),且石墨(mo)微晶(jing)在徑向的(de)(de)(de)(de)間(jian)距接近分子(zi)水平;在石墨(mo)層邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)碳(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)自催化(hua)以及(ji)界面能的(de)(de)(de)(de)推動力作(zuo)用下,各(ge)種游離的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)原(yuan)子(zi)與相鄰石墨(mo)微晶(jing)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)碳(tan)(tan)(tan)發生反應,形成(cheng)(cheng)C-C六(liu)圓環;在范德華力作(zuo)用下,石墨(mo)層的(de)(de)(de)(de)“褶皺”消失,并(bing)趨向平面結構(gou),終形成(cheng)(cheng)三維有(you)序的(de)(de)(de)(de)石墨(mo)化(hua)針狀(zhuang)焦。針狀(zhuang)焦經(jing)過(guo)2800℃的(de)(de)(de)(de)高溫熱處理后,終逐(zhu)步轉化(hua)成(cheng)(cheng)三維有(you)序的(de)(de)(de)(de)石墨(mo)結構(gou)。
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