晶质石墨活化提纯锂离子电池负极材料机理研究

刘静宇

（黑龙江工业学院 环境工程学系，黑龙江 鸡西 158100）

晶质石墨活化提纯锂离子电池负极材料机理研究

刘静宇

（黑龙江工业学院 环境工程学系，黑龙江 鸡西 158100）

研究了一种新的石墨提纯方法：先焙烧石墨，然后用NaOH，H2SO4和HCl处理，并确定了最佳工艺条件.结果表明，这种方法可以使固定碳质量分数为95.12%的晶质石墨提纯到99.76%.关键词：锂离子电池；天然石墨；提纯；NaOH；硫酸；盐酸

近年来，锂离子电池在各个领域应用非常广泛.电池是否耐用主要在于它循环性的好坏，由于石墨具有较高的电容量和较好的循环性，所以天然的石墨是锂离子电池负极材料的首选［1］.研究表明，石墨的循环性与其纯度成正比.现在市面使用的高纯石墨大多数是利用碱共熔法、氢氟酸法和高温法等制备［2-5］.但这几种方法都有缺点.因此，本文研究一种新的石墨提纯方法，以解决原有方法存在的弊端.

1 实验部分

1.1 材料

选用黑龙江省鸡西市柳毛产-195型鳞片石墨，粒度为-0.15 mm，碳的质量分数为95.12%，石墨原材料中灰分的各种矿物质质量分数以及各项指标见表1.NaOH，H2SO4，HCl质量浓度分别为为30%，5%，3%.

表1 石墨原料化学多项分析明细表 %

1.2 实验过程

取一定量的石墨原料，分别在一定温度下进行焙烧，焙烧一定时间后，将其冷却至一定温度与NaOH反应.物质反应特定时间后，用水冲洗过滤，使其指标达到中性，然后使用H2SO4溶液浸泡，浸泡后冲洗过滤至中性，而后在HCl溶液中煮沸，煮沸后冲洗过滤至中性，经过干燥最终得到产品（流程见图1）.

2 结果与分析

2.1 焙烧温度对提纯效果的影响

在不同的焙烧温度下焙烧40 min，加碱量（NaOH与石墨的质量比）为0.2的条件下，焙烧温度对提纯效果的影响见表2.由表2可见，随着焙烧温度的升高，固定碳的质量分数先增加后减少，石墨在500～600 ℃之间的焙烧效果最佳.石墨中的杂质随着煅烧温度的增加，结构开始分解，有利于碱与杂质反应生成可溶物，但煅烧温度太高，石墨的燃烧损失量会增加，并生产新的杂质，影响提纯效果［6-8］.最终选定石墨的焙烧温度为550 ℃.

图1 焙烧提纯实验过程

表2 焙烧温度对石墨含碳量的影响

2.2 焙烧时间对提纯效果的影响

在焙烧温度为550 ℃，加碱量为0.2的条件下，不同焙烧时间对石墨提纯效果的影响见表3.由表3可见，焙烧的最佳时间为40 min.

2.3 碱用量对提纯效果的影响

将石墨在550 ℃的条件下，焙烧40 min，NaOH用量对石墨提纯效果的影响见表4.由表4可见，NaOH和石墨的最佳质量比为0.3.

表3 焙烧时间对石墨提纯效果的影响

表4 NaOH用量对石墨提纯效果的影响

2.4 H2SO4用量对提纯效果的影响

将碱处理后的石墨用H2SO4酸洗，H2SO4用量对石墨提纯效果的影响见表5.由表5可见，在酸与碳的质量比为0.3时，石墨提纯效果最好.

2.5 HCI用量对提纯效果的影响

将H2SO4处理过的石墨用HCl处理，HCl用量对提纯效果的影响见表6.由表6可见，在酸与碳的质量比为0.3时，石墨提纯效果最好.

表5 H2SO4酸用了对提纯效果的影响

表6 HCl用量对提纯效果的影响

采用石墨先焙烧，然后碱、酸处理的方式提纯固定碳质量分数为95.12%的天然鳞片石墨，最终的产品固定碳质量分数可达到99.76%.这种方法具有实验产品质量稳定，重复性好等优点，并且避免了高温碱煅烧法的缺点.其技术要求为：（1）将石墨在550 ℃下焙烧40 min；（2）NaOH/石墨质量比为0.3，90 ℃条件下反应60 min；（3）酸量与碳之比为0.3，煮沸60 min；（4）水洗温度为80 ℃，水洗时间为60 min.

［1］ 李建军.天然石墨锂离子电池负极材料的循环性能研究［J］.碳素技术，2000（4）：5-7

［2］ 赖奇.攀枝花细鳞片石墨制备高纯石墨的几种方法［J］.攀枝花学院学报，2007，24（3）：10-14

［3］ 殷景峰.石墨提纯方法简述［J］.炭素，2015（2）：35-37

［4］ 葛鹏.石墨提纯化学方法进展［J］.金属矿山，2010（10）：38-42

［5］ 李长清.液相化学法制取高纯石墨研究［J］.非金属矿，2002，25（2）：35-37

［6］ 王瑛玮，武鹏，徐长耀.高温煅烧法提纯隐晶质石墨［J］.炭素，2008（1）：26-29

［7］ 张清岑，刘建平，肖奇.隐晶质石墨提纯工艺中的焙烧动力学研究［J］.中南大学学报，2005，36（1）：29-34

［8］ 张洪波，李悦，张忠新.焙烧活化隐晶质石墨提纯实验研究［J］.矿产综合利用，2014（1）：61-65

Study on the activation and purification mechanism of scaly graphite from the anode material of lithium ion battery

LIU Jing-yu
（Department of Environmental Engineering，Heilongjiang University of Technology，Jixi 158100，China）

A novel graphite purification method is studied that the graphite is roasted firstly and then handled with NaOH，H2SO4，HCl.The best processing condition is confirmed through the research.The results show that the new process can purify the scaly graphite with the fixed carbon content of 95.12% to 99.76%.

lithium ion battery；natural graphite；purification；NaOH；H2SO4；HCl

TU521.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.06.014

1007-9831（2016）06-0048-02

2016-04-17

黑龙江省自然科学基金项目（E200838）

刘静宇（1980-），男，黑龙江鸡西人，讲师，硕士，主要从事矿物分离提纯研究.E-msil：liujingyu2p@163.com