真空液相法制備瀝青炭包覆人造石墨負極材料的研究

劉洪波++李富營++何月德 陳玉喜??

摘要：以兩種煤瀝青的四氫呋喃溶液作包覆劑，采用真空液相法對人造石墨進行瀝青炭包覆改性處理，將得到的樣品與人造石墨分別進行掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）分析測試，并組裝電池進行電化學性能測試.結果表明：瀝青炭不僅包覆在人造石墨顆粒的表面，而且會填充到其孔隙中使平均孔徑減??；瀝青炭包覆導致人造石墨近表面區(qū)域的無序度增大，但不會改變?nèi)嗽焓木w結構；改質瀝青炭包覆人造石墨樣品的比表面積從4.27 m2/g降至1.65 m2/g，首次庫倫效率提高3.5%，不可逆容量降低10.9 mAh/g，循環(huán)性能也有所改善.

關鍵詞：負極材料；人造石墨；瀝青；包覆

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：A

鋰離子電池具有比容量高、無充放電記憶效應、綠色環(huán)保、無污染等優(yōu)點.不僅廣泛應用于便攜式電子產(chǎn)品中，還被應用于航天航空、軍事、電動汽車和儲能等領域[1-2].人造石墨材料具有比容量高、循環(huán)性能好、嵌脫鋰平臺低、成本低廉等優(yōu)點，成為最具有商業(yè)價值的動力鋰離子電池負極材料[3].

經(jīng)過整形和分級處理的人造石墨，雖然粒徑分布較窄、顆粒形狀接近球形、比表面積大幅度降低，但由于不可避免地保留了原石墨中的孔洞、溝槽、裂紋等缺陷[4]，因此存在比表面積偏高、首次庫侖效率偏低等問題，通常需要進行表面炭包覆改性處理[5-6].目前商業(yè)化的人造石墨負極材料大多采用“干法”包覆瀝青炭[7-11]，即采用氣流磨將瀝青研磨至5 μm以下，再與經(jīng)過整形和分級處理的人造石墨均勻混合，然后在隔絕空氣或N2氣氛下進行炭化處理.“干法”包覆必須采用軟化點高于200 ℃的高溫瀝青或中間相瀝青，存在超細瀝青粉團聚和瀝青粘流溫度窗口窄而導致的瀝青炭包覆不均勻等問題.

為提高瀝青炭包覆的均勻性，進一步改善人造石墨負極材料的性能，本文采用真空液相包覆法對人造石墨進行瀝青炭包覆，考察了軟化點不同的中溫瀝青和改質瀝青炭包覆對人造石墨結構、形貌和電化學性能的影響.

1實驗

1.1原料與試劑

人造石墨：含碳量（質量分數(shù)）99.60%，灰分0.10%，振實密度0.93 g/cm3，由湖南星城石墨科技股份有限公司提供；

四氫呋喃：分析純，天津市永大化學試劑有限公司；

中溫瀝青（Z）和改質瀝青（G）：由江西正拓新能源科技股份有限公司提供，性能參數(shù)見表1.

1.2炭包覆人造石墨試樣制備

分別稱取50 g經(jīng)整形處理的人造石墨（AG），置于2個三口燒瓶中，抽真空至-0.1 MPa，并維持20 min.稱取9.96 g中溫瀝青和8.44 g改質瀝青分別溶于50 mL四氫呋喃中，攪拌均勻.通過直型二路活塞將溶解后的瀝青分別吸入三口燒瓶中，在真空狀態(tài)下攪拌30 min，使瀝青滲入人造石墨的微孔中并均勻包覆在其表面.然后將三口燒瓶置于75 ℃水浴中加熱蒸發(fā)并回收四氫呋喃，取出后經(jīng)過1 100 ℃炭化處理即得到中溫瀝青炭包覆人造石墨試樣（AGZ）和改質瀝青炭包覆人造石墨試樣（AGG）.根據(jù)表1中瀝青的殘?zhí)柯士捎嬎愠?種試樣的炭包覆率均為10%.

1.3結構分析

采用JSM6700F型掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面形貌；采用TristarⅡ3020型比表面積分析儀，以N2為吸附介質，77 K下測定樣品的孔徑分布；利用HYL2076型激光粒度儀測定樣品的粒度分布；采用D8Advance型X射線衍射儀對樣品進行晶體結構分析，掃描速度4°/min；采用Labram010型激光拉曼光譜分析儀對樣品進行表面結構分析，分辨率為3 cm-1.

1.4電池組裝及電化學性能測試

將樣品、導電劑乙炔黑、粘結劑PVDF按照質量比89∶3∶8混合，加入1甲基2吡咯烷酮后磁力攪拌6 h制得漿料.利用涂布機將漿料均勻涂覆在銅箔集流體上，85 ℃下真空干燥1 h，滾壓后切片制成工作電極.以鋰片作為對電極，電解液為1 mol/L LiPF6/（EC+EMC+DMC）（體積比為1∶1∶1），隔膜為日本旭化成公司鋰電池隔膜，在充滿高純Ar的手套箱中組裝成CR2016型紐扣電池.

采用CT2100A型電池測試系統(tǒng)對電池進行恒電流充放電測試，充放電電壓為0.001～2.000 V.使用上海辰華CHI660A型電化學工作站對電池進行循環(huán)伏安和交流阻抗的測試：循環(huán)伏安掃描速率0.000 1 V/s，掃描范圍0～1.2 V；交流阻抗交流信號幅度5 mV，頻率范圍105～10-2 Hz.

2結果與討論

2.1炭包覆對試樣表面形貌、粒徑、比表面積及孔

徑的影響

從3個試樣AG，AGZ和AGG的SEM形貌（圖1）可見，人造石墨原料AG（圖1（a），（b））具有較大的長徑比，為典型的石墨化針狀焦.中溫瀝青炭包覆人造石墨AGZ（圖1（c），（d））表面包覆效果較差，包覆層疏松多孔且表面大量裸露.改質瀝青炭包覆人造石墨AGG（圖1（e），（f））表面包覆效果較好，包覆層致密光滑.這是由于含有較多β樹脂的改質瀝青，使瀝青炭更均勻地包覆在人造石墨顆粒表面.

表2列出了3個試樣AG，AGZ和AGG的粒徑（D50）、BET比表面積和平均孔徑.由表2可知人造石墨包覆瀝青炭后粒徑有所增大，其原因為：一方面包覆一層瀝青炭使粒徑增大，另一方面瀝青的粘結性使部分小顆粒人造石墨相互粘附在一起.中溫瀝青炭包覆人造石墨AGZ的BET比表面積增大，這是因為中溫瀝青中含有較多的輕組分——甲苯可溶物（TS，又稱之為γ樹脂）（見表1），而γ樹脂降低了瀝青炭的機械強度，導致瀝青炭未能完整地包覆在人造石墨表面，且結焦過程中產(chǎn)生大量微孔、裂縫及部分瀝青炭碎屑（見圖1（c），（d）），因此中溫瀝青炭包覆樣品的比表面積明顯增大；改質瀝青炭包覆人造石墨AGZ 的BET比表面積有所減小，這是因為改質瀝青含有較多的β樹脂，而β樹脂有利于增加煤瀝青的粘結力和瀝青炭的強度，使瀝青能完整包覆在人造石墨表面（見圖1（e），（f））.β樹脂是中間相的前驅體，同時改質瀝青中的次生QI有利于煤瀝青炭化時中間相的形成，改質瀝青炭化產(chǎn)物的微晶發(fā)育優(yōu)于中溫瀝青炭化產(chǎn)物[12]，與中溫瀝青炭相比，改質瀝青炭更容易形成軟炭（易石墨化炭），而軟炭微晶排列緊密，減少了瀝青炭中的微細孔.此外，瀝青炭除了包覆在石墨顆粒表面外，還會填充到石墨顆粒的開口孔隙中，因此兩種瀝青炭包覆人造石墨的平均孔徑均有所減小.

3結論

1）采用真空液相法制備的瀝青炭包覆人造石墨不僅表面包覆一層瀝青炭，而且瀝青炭會填充到人造石墨顆粒的孔隙中使平均孔徑減小.瀝青炭包覆導致人造石墨近表面區(qū)域的無序度增大，但不會改變?nèi)嗽焓木w結構.

2）中溫瀝青炭包覆人造石墨表面粗糙疏松，比表面積增大，首次庫倫效率由89.9%降低到87.2%，包覆效果不明顯.

3）改質瀝青炭包覆人造石墨表面光滑致密，比表面積減小，首次庫倫效率由89.9%提高到93.4%，第48次容量保持率由85.5%提高到91.1%，電化學循環(huán)性能有所改善.

參考文獻

[1]KANG K，MENG Y S，BRGER J，et al.Electrodes with high power and high capacity for rechargeable lithium batteries[J].Science，2006，311（5763）：977-980.

[2]BRANDT K.Historical development of secondary lithium batteries[J].Solid State Ionics，1994，69（3）：173-183.

[3]PELED E，MENACHEM C，BARTOW D，et al.Improved graphite anode for lithiumion batteries chemically bonded solid electrolyte interface and nanochannel formation[J].Journal of the Electrochemical Society，1996，143（1）：L4-L7.

[4]AURBACH D，MARKOVSKY B，SHECHTER A，et al.A comparative study of synthetic graphite and Li electrodes in electrolyte solutions based on ethylene carbonatedimethyl carbonate mixtures[J].Journal of the Electrochemical Society，1996，143（12）：3809-3820.

[5]MA C， ZHAO Y， LI J，et al.Synthesis and electrochemical properties of artificial graphite as an anode for highperformance lithiumion batteries[J].Carbon，2013，64（1）：553-556.

[6]王春梅，趙海雷，王靜，等. 有機物熱解碳包覆人造石墨負極材料的改性研究[J].功能材料，2012，43（23）：3208-3212.

WANG Chunmei，ZHAO Hailei，WANG Jing，et al. Modification on artificial graphite anode material by coating with organic pyrolytic carbon[J].Journal of Functional Materials，2012，43（23）：3208-3212.（In Chinese）

[7]YOSHIO M，WANG H，F(xiàn)UKUDA K，et al. Effect of carbon coating on electrochemical performance of treated natural graphite as lithiumion battery anode material[J].Journal of the Electrochemical Society，2000，147（4）：1245-1250.

[8]OHTA N，NAGAOKA K，HOSHI K，et al. Carboncoated graphite for anode of lithium ion rechargeable batteries： Graphite substrates for carbon coating[J].Journal of Power Sources，2009，194（2）：985-990.

[9]TSUMURA T，KATANOSAKA A，SOUMA I，et al. Surface modification of natural graphite particles for lithium ion batteries[J].Solid State Ionics，2000，135（1）：209-212.

[10]LEE H Y，BAEK J K，JANG S W，et al.Characteristics of carboncoated graphite prepared from mixture of graphite and polyvinylchloride as anode materials for lithium ion batteries[J].Journal of Power Sources，2001，101（2）：206-212.

[11]IMANISHI N，ONO Y，HANAI K，et al.Surfacemodified mesocarbon microbeads anode for dry polymer lithiumion batteries[J].Journal of Power Sources，2008，178（2）：744-750.

[12]許斌，張雪紅，吳碧英， 等.中國炭材料用煤瀝青的生產(chǎn)和應用[J].炭素技術，2006，24（5）：20-27.

XU Bin，ZHANG Xuehong，WU Biying，et al.Production and application of coaltar pitches used for manufacture of carbon materials in China[J].Carbon Techniques，2006，24（5）：20-27.（In Chinese）

[13]GUOPING W， BOLAN Z， MIN Y，et al. A modified graphite anode with high initial efficiency and excellent cycle life expectation[J].Solid State Ionics，2005，176（9）：905-909.

[14]DAHN J R. Phase diagram of LixC6[J]. Physical Review B， 1991，44（17）：9170-9177.