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【原創】一文了解中間相炭微球的3種制備方法

文正

2022.5.16  |  點擊 227次

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導讀 中間相炭微球的制備方法主要有熱縮聚法、懸浮法和乳化法

中國粉體網訊  中間相炭微球(MCMB)是瀝青等重質芳烴化合物熱縮聚生成的具有向列液晶層狀堆積結構的微米級球形碳材料。相比天然石墨,MCMB比表面積大,碳層邊緣位置以及不規則的缺陷位置可以提供儲鋰空間,具有相對較高的比容量。MCMB具有優異的導電性、高循環穩定性、良好的倍率性能等特點,是目前應用廣泛、綜合性能優異的鋰離子電池負極材料。


中間相炭微球

(圖片來源:天津愛敏特電池材料有限公司)


中間相炭微球的制備方法主要有熱縮聚法、懸浮法和乳化法。


1、熱縮聚法


熱縮聚法分為兩個步驟,第一步是生成MCMB,稠環芳烴化合物在某一特定的反應條件下發生液相炭化反應生成MCMB;第二步是分離MCMB,采用適當的分離方法將MCMB從母液中提取出來。



熱縮聚法制備MCMB流程


首次從瀝青母液中得到中間相小球體就采用熱縮聚法,將原料瀝青經過熱縮聚反應得到中間相瀝青,再經過分離得到中間相瀝青微球,在球體可以任意粗放型增長和聚結之前,通過預氧化和炭化過程就得到中間相炭微球。該方法工序簡單,條件易于控制,適合大量生產。但采用熱縮聚法得到的小球易融并,且尺寸分布寬,形狀和尺寸不均勻,收率低,根據中間相小球和瀝青母體對溶劑不同的溶解度分離出的中間相炭微球,需要消耗大量溶劑。若通過保留體系中一次QI或添加外加劑而提高收率,則這些物質又會影響中間相炭微球的最終性能。反應溫度、反應時間、升溫速率、攪拌速度、體系壓強等因素均影響中間相炭微球形貌、粒度分布、結構、產率和性能等,其中最主要的影響因素是溫度和時間。


2、懸浮法


懸浮法制備MCMB是指,將可溶性中間相瀝青溶于有機溶劑中,然后加入表面活性劑進行隔離分散,隨后將上述混合液分散至另一高沸點溶劑中形成懸浮液。為使組分在懸浮液中分散均勻,可按某一特定升溫速率升高體系溫度并伴隨持續攪拌,隨著體系溫度的升高,溶解中間相組分的溶劑揮發,析出的中間相組分重新結合形成中間相小球體。



懸浮法制備MCMB流程


待保溫一定時間后,體系自然冷卻至室溫,過濾出中間相小球體,隨后經預氧化和炭化后得到中間相炭微球。與熱縮聚法以及乳化法相比,懸浮法所得MCMB間融并和結絮現象減少,還可以通過改變溫度和攪拌速度調控MCMB的粒徑分布。但是懸浮法也存在著過程繁瑣、原料要求高,后續需不熔化處理等問題,難以實現工業化生產。


3、乳化法


乳化法制備MCMB可分為兩步,先將中間相瀝青粉碎形成中間相顆粒,也可以根據粒徑需要對中間相顆粒進行篩分,然后選取合適粒徑中間相顆粒加入到乳化液中,升高體系溫度,同時保持攪拌,使其形成球形中間相顆粒懸浮于乳化液中,后續同樣需要經過冷卻、分離、預氧化和炭化等過程。




乳化法制備MCMB流程


乳化法制備的中間相炭微球縮聚程度高、粒徑分布均勻可控、球形圓滑、無雜質、收率高。但是工序復雜,設備繁多,工藝條件難控制,不適合大規模量產,僅適用于高精端科研。有日本研究人員用軟化點為307℃左右的中間相瀝青為原料,充分研磨過篩后,用硅油作為溶劑,氮氣吹掃條件下用超聲波清洗器使之充分溶解,加熱攪拌形成乳狀液,當溫度達到中間相瀝青的軟化點以上時,中間相瀝青在表面張力的作用下乳化成球體形成懸浮液。冷卻到室溫,離心機把中間相炭微球從熱穩定介質中分離出來。再經苯洗滌,干燥后即得中間相炭微球。通過控制原料中間相瀝青顆粒的尺寸分布,可得到球徑符合尺寸要求的中間相炭微球。乳化法的主要影響因素有乳化時間、處理溫度、原料的性質及原料和熱穩定介質的粘度和界面張力等。一般來說,要獲得球形度好的顆粒,若溫度稍低則乳化時間就應相應長一些。而隨著溫度升高和乳化時間的延長,中間相炭微球的收率下降。


參考來源:

1、成鵬等.中間相炭微球制備及應用概述

2、于銀萍等.中間相炭微球的研究進展

3、呂家賀.中間相炭微球基負極材料設計及儲鋰性能研究

4、杜俊濤等.中間相炭微球在鋰離子電池負極材料的應用進展


(中國粉體網編輯整理/文正)

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