中间相炭微球的制备及性能研究

论文摘要

中间相炭微球因为其独特的分子片层平行堆砌结构,又兼微球形特点,成为了电动汽车锂离子动力电池优异的负极材料。但由于这方面的研究尚不是十分透彻,一些基本的工艺条件还不是十分清楚。论文围绕中间相炭微球的工业化需要,详细探讨了不同的工艺条件、不同的原料等因素对其性能的影响规律。（1）以煤沥青为原料,采用热聚合法制备中间相炭微球,用扫描电镜（SEM）、激光粒度分析仪,对其形状、大小进行直观分析。结果表明：热聚合温度的升高和热聚合时间的延长都有利于反应体系内芳烃大分子组成的产生,缩聚成球的机会变多,能够提高产率,增大球径,球形度变好,其中温度的作用更为明显,优化热聚合温度和时间是制备中间相炭微球关键。对母液进行搅拌使体系内聚合机率加大。压力增大阻止轻组份脱离,体系粘度低,母液的流动性增强,球形度变好；含有环状结构的吡啶、喹啉和甲苯分离效果较好,相比较用吡啶直接抽提,经过洗油离心分离后的滤饼再用吡啶抽提得到中间相炭微球,可以减少抽提时间,减少消耗,分离效果较好。（2）考察了原料组成对制备中间相炭微球的影响,以喹啉不溶物（QI）不同含量、不同软化点的原料以及煤焦油沥青中配比FCC油浆热聚制备中间相炭微球。结果表明：原料中的QI是阻止中间相小球体的成长以及球体之间的融并,通过控制QI的含量可以制备不同粒径的中间相炭微球。软化点过高的原料,热聚得到的中间相沥青软化点过高,粘度太低,会引起反应体系的焦化,不利于中间相炭微球脱离,造成彼此粘连,得不到很好的球体。在软化点较低的反应体系中,因为原料的芳香大分子的含量较少,不利于中间相炭微球生成,导致反应的产物收率低,相比较,软沥青（SP 30-40℃）为佳。FCC油浆体系中单核多环的分子平面度高,煤焦油沥青中多核多环的分子平面度大,相互配比后反应过程中,能够得到互补,因此能够得到粒径分布较窄的炭微球。（3）将中间相炭微球进行炭化和石墨化处理,用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电性能测试等研究手段,结果表明：经过炭化和石墨化的中间相炭微球主要成分为C元素,N、H等元素基本消失。石墨化处理后的中间相炭微球为六方体晶型石墨。炭化处理后的中间相炭微球,球形表面出现塌陷,比表面积增大,凹凸度则增大,层间距略有增加；石墨化后中间相炭微球,球表面有不完整凹陷,部分球体表面有收缩裂纹,片层排列更加有序,比表面积减小,密度增大,层间距有减小,其石墨化度较高,已经形成了相对完整的晶体结构。炭化后的中间相炭微球,放电容量高于石墨化的中间相炭微球,因为炭化后的中间相沥青锂离子的嵌入和脱嵌同时在炭层和空隙上进行,经过石墨化处理后主要炭层上进行,增加了嵌入和脱嵌的可逆性,充放电容量达到稳定,充放电效率增大。所制备的中间相炭微球成品的性能指标已经达到了锂离子电池石墨类负极材料一级标准,其性能与国内外的同类产品相近。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 中间相炭微球的研究进展
• 1.2.1 中间相炭微球的发展和应用过程
• 1.2.2 中间相炭微球的制备
• 1.2.3 中间相炭微球的结构和形成机理
• 1.2.4 中间相炭微球的炭化和石墨化
• 1.3 中间相炭微球在锂离子电池中的应用
• 1.3.1 锂离子电池发展
• 1.3.2 锂离子电池的构成和原理
• 1.3.3 锂离子电池的种类及其特点
• 1.3.4 锂离子电池材料
• 1.3.5 锂离子电池负极材料
• 1.4 中间相炭微球的其它应用
• 1.4.1 高密度高强度炭材料
• 1.4.2 色谱柱填料
• 1.4.3 高比表面积活性炭
• 1.5 本课题的提出以及主要任务
• 1.5.1 本课题的提出
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 1.5.3 本课题研究目的
• 第二章 实验材料、装置以及主要的测试仪器和方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料和实验试剂
• 2.3 实验设备、装置及工艺路线
• 2.3.1 实验仪器和设备
• 2.3.2 实验装置及工艺路线
• 2.4 实验原料的测试仪器和方法
• 2.4.1 族组成分析
• 2.4.2 软化点
• 2.4.3 红外光谱分析（IR）
• 2.4.4 元素分析
• 2.5 实验成品表征方法
• 2.5.1 扫描电镜（SEM）表征
• 2.5.2 激光粒度统计
• 2.5.3 中间相炭微球收率
• 2.5.4 X射线衍射仪分析
• 2.5.5 热分析
• 2.5.6 粘度分析
• 2.5.7 比表面积BET
• 2.5.8 真密度测定
• 2.5.9 电化学性能测试
• 第三章 软沥青为原料制备中间相炭微球工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料
• 3.2.1 原料沥青
• 3.2.2 实验原料的基本组成结构
• 3.3 中间相炭微球的制备以及分离提纯
• 3.4 中间相炭微球制备条件的研究
• 3.4.1 热聚合温度对中间相炭微球的影响
• 3.4.2 热聚合时间对中间相炭微球的影响
• 3.4.3 搅拌转速对中间相炭微球的影响
• 3.4.4 压强对制备中间相炭微球的影响
• 3.4.5 分离溶剂及方法对中间相炭微球的影响
• 3.4.6 添加氧化铁对中间相炭微球制备的影响
• 3.5 中间相炭微球结构的研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 原料组分变化对制备中间相炭微球的影响
• 4.1 引言
• 4.2 原料中含有不同喹啉不溶物（QI）对中间相炭微球的影响
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验原料的基本组成结构
• 4.2.3 SEM形貌分析
• 4.2.4 平均粒径和收率分析
• 4.3 原料软化点不同对中间相炭微球的影响
• 4.3.1 实验原料
• 4.3.2 实验原料的基本组成结构
• 4.3.3 SEM形貌分析
• 4.4 煤沥青中配比FCC油浆
• 4.4.1 原料的基本组成性质
• 4.4.2 SEM形貌分析
• 4.4.3 平均粒径分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 中间相炭微球的热处理及性能测定
• 5.1 引言
• 5.2 炭化以及石墨化中间相炭微球的制备
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验内容
• 5.3 测试仪器和方法
• 5.4 元素组成以及热失重分析炭化和石墨化的中间相炭微球
• 5.5 XRD分析炭化和石墨化的中间相炭微球
• 5.6 扫描电镜分析
• 5.7 凹凸度和真密度的分析
• 5.8 炭化和石墨化的中间相炭微球锂离子电池负极性能分析
• 5.9 石墨化的中间相炭微球与国内外同类产品部分性能比较
• 5.10 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 作者和导师简介
• 附件