[发明专利]人造石墨负极材料内串石墨化生产方法及其石墨化炉

说明书

技术领域

本发明涉及一种人造石墨加工方法，尤其涉及一种人造石墨负极材料内串石墨化生产方法，还涉及一种实现该方法的石墨化炉。

背景技术

人造石墨负极材料是碳负极材料的一种，主要应用于锂电池的制造。在众多的锂电池中，碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面表现优异，并且碳材料对环境友好，目前商品锂离子电池广泛采用碳负极材料。其中，石墨类负极材料以其来源广泛，价格便宜，性能稳定等几大优势成为碳负极材料的主要类型。

石墨负极材料分为天然石墨、人造石墨和中间相碳微球三类。中间相碳微球具有球状结构、比表面积小、层状分子平行排列结构等优点被认为是制作锂电池负极具有代表性的一种碳材料。但是由于碳微球生产工艺复杂，中间相碳微球的价格比较昂贵，对其大规模运用形成了一定限制。天然石墨有结构完整、嵌埋位置多等优点，所以容量较高，也是一种理想的锂电池负极材料。但其对电解质敏感，大电流充放电性能差，循环寿命短。人造石墨是把容易石墨化的石油焦、针状焦经过粉碎，包覆聚合物热解炭，整形修饰，再经过高温石墨化，形成具有核-壳结构的球状复合石墨，其结晶度（石墨化度）高，与电解液的相容性好，具有较好的充放电性能和循环性能，可逆充电容量可达到350mAh/g, 不可逆容量为10%以下。人造石墨性能与天然石墨相差不大，但是原材料价格降低一半以上，售价比天然石墨低。尤其近年应用研究发现，人造石墨在循环性能和大电流放电方面具有较好的效果，市场潜力巨大。

人造石墨负极材料的生产过程主要包括选材、打粉、整形为球形、包覆、炭化以及石墨化。石墨化是人造石墨负极材料生产过程中一道重要工序。

目前，大多数传统方法采取的是艾奇逊石墨化炉（大直流炉）来加工人造石墨负极材料。艾奇逊炉的原理是通过电流流经炉内电阻料而使电阻料产生大量热能（通常电阻料需达到3000度左右的高温）然后再将热能传递到产品，最终实现产品石墨化。使用艾奇逊炉加工负极材料需送电30-40个小时，每吨产品的电耗在15000-16000度，电单耗高，而且对环境污染比较大；同时，由于受自身加工方式限制，艾奇逊炉上层和下层温度分布不均匀，易造成石墨化过程中产品受热不均导致其石墨化程度不均，从而影响产品质量。

为了克服艾奇逊炉的缺陷，现在有采用内串石墨化炉的。内串石墨化炉的原理则是通过将产品以一定方式在炉内串接在一起，通电时使电流流经产品本身而产生大量热能并达到一定温度（通常在3000-3100度）而实现产品石墨化。目前，采用内串式石墨化炉加工负极材料的，其装炉方式均为卧装，即将装有负极材料的坩埚以平卧、首尾串接的方式装入石墨化炉，石墨化送电时间需要20-30个小时，生产每吨产品的电耗在13000-13500度电，生产成本比艾奇逊炉节省大概15%-20%。与艾奇逊炉相比，内串石墨化炉的优势主要在于电单耗低，节省成本，对环境污染小。

但是，现有的卧装式内串石墨化炉生产方法还有不如人意之处：一是对坩埚要求高，卧装时，为了使产品受热以及石墨化程度内外均匀，坩埚设计为孔洞式结构（如图1所示），即由石墨坩锅体和若干小孔洞组成，小孔洞用于放置产品，坩埚的有效使用空间不高，影响了石墨化炉的生产效率；二是由于卧式装炉对坩埚强度要求比较高，要求坩埚壁很厚，在石墨化送电时通过坩埚本身发热损失的热能较大，电能有效利用率不高；三是由于对坩埚强度要求比较高，其加工难度也比较大，坩埚生产成本高；四是由于卧式装炉时产品与坩埚的接触面比较大，而且坩埚的锅盖是旋紧在坩埚上的，因此，在出炉打开坩埚时容易造成坩埚上石墨粉脱落而引入杂质粉尘，同时产品在石墨化过程中所产生的挥发分也不易排出，也造成对产品质量的影响，导致纯度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种生产效率高、成本低、产品纯度高的人造石墨负极材料内串石墨化生产方法，还提供一种实现该方法的石墨化炉。

为了解决上述技术问题，本发明的人造石墨负极材料内串石墨化生产方法包括如下步骤：

a. 用保温料在内串石墨化炉内底部铺平压实形成保温层；

b. 将规格相同的、装有负极材料的坩埚以竖立的方式即坩埚开口朝上垂直于炉头炉尾轴线、坩埚盖平行于水平面放置于炉内上述保温层上形成坩埚层，所述坩埚层为1-2层接触叠放；

c. 在坩埚之间以及坩埚与炉头导电极之间用电阻率与坩埚相当的石墨质垫块填实；

d. 在坩埚层上方再铺设保温料形成保温层；

e. 用加压装置加压预紧密坩埚间隙；