[发明专利]一种同炉制备锂电池负极用石墨和碳化硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池负极用石墨材料和碳化硅的制备方法，具体涉及一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法。

背景技术

碳材料因其具有高能量密度、高效率和长循环寿命等优点，被广泛应用于锂离子电池负极材料。目前，制备锂离子电池负极材料的制备原料主要以天然石墨与人造石墨两类。天然石墨虽有锂离子能嵌入/脱嵌的特性和优良的充、放电平台，但溶剂化的锂离子可以进入层间(溶剂分子与锂离子共嵌)，使石墨晶体的层间距扩大、体积膨胀、最终发生层离而形成新的表面，加大了首次不可逆容量。同时层离破坏了储锂结构，循环寿命缩短。人造石墨是将易石墨化碳经2800-3000℃高温处理后制的，人造石墨主要有中间相碳微球(MCMB)，石墨纤维等。MCMB是目前小型锂离子电池及动力电池大规模使用的负极材料之一，其缺点是不可逆容量较高，容量低于天然石墨。

在人造石墨领域，煤炭作为世界上储量最为丰富、廉价的含碳矿物资源，在制备负极材料方面显示出独特的优势。煤在隔绝空气的条件下，经高温加热形成焦炭。不同煤化程度的煤形成了不同指标的焦炭。Dahn曾报道(J.D.Dahn,T zheng,Y.Liu,J.S.Xue,Science 270(1995)590.)高温干馏煤烟得到的焦炭具有储存锂离子的特性，其中在非石墨化炭中，高挥发性沥青煤因为具有最小的石墨化微晶结构，表现出较好的循环及倍率性能。但是，此种煤的密度较低，导致其焦化值更低，无法满足容量需求，且首次充放电的库伦效率也较低。

因此需要一种碳原料，能有效提高其可逆容量、库伦效率等性能，且生产方便、具有较高的经济优势。

再者，现有技术中锂电石墨负极材料的生产过程均为单独生产，比如用内热串接炉，制备工艺中往往需要使用密封体系、用惰性气体保护以保证产品纯度，并且需要添加额外的辅料或者无机酸对材料进行预先除杂，这使得现有方法对生产工艺的控制具有较高要求，并会引入易造成环境污染的排放料，且资源的有效利用率低，致使生产成本较高。

此外，碳化硅也是煤原料经高温冶炼后常出产的材料，其具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，应用范围极为广泛。目前虽然我国碳化硅材料产量大，但其生产亦为单炉生产(如使用艾奇逊炉)，由于通电生产的本质，其耗能也极高，工艺流程耗时长，不符合我国节能发展的重要指导思想。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法。

本发明采用以下技术方案实现上述目的：

一种同炉制备锂电池负极用石墨材料和碳化硅的方法，其包括以下步骤：

1)粉体制备

将无烟煤进行粉碎，制成粉体材料；

2)高温石墨化

将步骤1)所得粉体材料置于坩埚内，向具有炉基底、炉头/炉尾墙体和可移动炉墙板的艾奇逊炉内装填保温料、用于生产碳化硅的反应料和所述坩埚，填料后若干所述坩埚被设置于所述艾奇逊炉的炉头/炉尾墙体方向上，所述坩埚的外周以通用分解石墨完全包覆，构成炉芯层，所述炉芯层位于所述艾奇逊炉的中部；所述炉芯层的外周被所述反应料完全包覆，所述反应料的外周被贴合所述炉基底、墙体和墙板内壁的保温料完全包覆；将艾奇逊炉通电，使炉芯温度达到1700～3300℃，煅烧后冷却取料，分别得到石墨和碳化硅。

本发明的艾奇逊炉为本领域惯用的艾奇逊炉，优选具有以下结构：

所述艾奇逊炉的炉体1具有炉基底2，所述炉基底为凹槽型，且在所述凹槽的开口端的两个端部别具有向外延伸的端面201a和201b，所述炉基底的凹槽的横截面为开口大而底小的倒置梯形。所述炉基底的两个端面201a与201b分别由支柱6a和6b支撑，所述炉基底底部设有用于支撑其的多个支柱5，所述支柱6a和6b以及多个所述支柱5使所述炉基底悬空于地面。在所述炉基底的所述两个端面201a和201b上设有可移动的炉墙板4a和4b，在所述炉基底的另外两个侧面固设有将所述炉基底封堵住的炉头墙体3a和炉尾墙体3b且所述炉头墙体和炉尾墙体的高度均大于所述可移动炉墙板4a和4b的高度，以形成一个四周密封而上部开放的腔体。

其中，所述可移动炉墙板由铸铁框架和填充于其中的耐火砖构成，且在填充时留有透气孔。所述炉头墙体和炉尾墙体分别由位于上下的耐火砖墙和位于其中部的导电石墨电极7a和7b组成。所述炉体除特别指出外，均以耐火砖构造。

优选的进料方式为：