炭化处理，是基于1200℃以下的高温进行煅烧，通常温度会控制在700℃~1000℃范围，随着温度提升，炭化样品石墨的层间距会逐渐缩小，结构有序度随之增加。在炭化之后再进行石墨化，可有效提升人造石墨负极材料的电化学性能，这一机理源自软炭对于电解液有着较强的适应性，具有良好的耐过放、过充性能，且循环性能较强、容量较高，而对炭化面向人造石墨负极材料性能的影响进行分析研究，则是进一步推动能源行业了解炭化后石墨化技术的特点，为锂电池等人工石墨应用企业提供技术借鉴、参考价值。
一、人造石墨概述
人造石墨作为一种基于特殊技术生产、产品具备石墨特性的新科技材料，又被行业称为“平板碳”。基于人造石墨良好的电学性能，人造石墨目前已被广泛应用到制造负极材料生产领域，人造石墨负极材料具有良好抗放电能力、较低的化学系数以及较高的耐热性、可放电深度，同时人造石墨负极材料质量较轻，有极低的体积灰度温度，故而其在制造镍氢电池、锂电池期间可有效提高电池能量密度。图1为人造石墨晶体结构示意图;
图1 人造石墨晶体结构示意图
二、实验设计
（一）实验原料与设备
本次针对炭化面向人造石墨负极材料性能的研究，实验原料包括沥青、石油焦。试验设备包括超声筛分机、气流粉碎机、高温包覆造料机、高效混合机、石墨化炉、真空气氛炉。
（二）人造石墨负极材料制备
首先，使用高温包覆造粒机进行样品制备。将沥青、石油焦基于气流粉碎机处理成6~8粒径石油焦粒，3~4沥青粒，利用超声筛分机进行振动筛分，随后基于高效混合机让物料在强离心作用之下高速旋转，让2种物料快速混合，获取编号为W1的样品。
其次，将完成均匀混合的W1样品植入高温包覆造粒机，以5℃/min升温速度逐渐升温至700℃，保持3h恒温，基于升温进程中外在机械力让沥青完全包裹于石油焦粒表面，获取编号为W2的样品。
再次，开展炭化样品制备。第一步，将W2样品放入真空气氛炉内开展炭化处理，真空度始终维持于-1MPa，升温速度为10℃/min，以600℃为温度上限。再基于5℃/min速度提升温度至1000℃，保持2h恒温，获取炭化处理后的样品，编号W3。第二步，制备包覆造粒后的石墨化样品，将W1样品放入石墨化炉内，真空气氛下设置4L/s抽气速率，10℃/min升温至1500℃后，再基于5℃/min升温至2800℃，保持10h恒温，获取石墨化人造石墨负极材料，编号W4。第三步，将W2编号样品放入石墨化炉内，配置同样抽气速率与升温速率，获取样本，编号W5。第四步，对于炭化后石墨化样品制备，将W3编号样本放入石墨化炉，配置相同抽气速率、升温速度，获取编号为W6的石墨化人造石墨负极材料。
本次实验对照组样本，将石油焦经过简单处理后直接石墨化，获取样本M4，石油焦包覆造粒后再进行石墨化，获取样本M5，石油焦经过包覆造粒再炭化后进行石墨化处理，获取样本M6。
（三）制备扣式电池
制备扣式电池阶段，以8:1:1质量比搭配人造石墨、乙炔黑、PVDF工业，混合后少量加入NMP，以离心机进行1h搅拌。获取混合均匀的浆液后置于烘干涂布机进行涂布处理，完成处理后将负极材料烘干，将完成干燥的极片加入称量纸中，切割后进行极片称量标号，在手套箱内组装电池，获取3组电池，即直接石墨化电池，编号W4-1，包覆造粒后石墨化电池W5-1，炭化后石墨化电池W6-1。
三、结果分析
（一）炭化对人造石墨样本比表面积与粒径分布的影响
对M4、M5、M6样本进行粒径分布、比表面积数据测试，测试结果如表1：
表1 M4、M5、M6样本粒径分布与比表面积
结合表1数据，可得出直接石墨化、包覆造粒后石墨化获取的M4、M5样本，在粒度分布方面具有明显的不规则特征。炭化后石墨化制备的负极材料M6力度分布更为规则，且随着粒径的增加，分布均匀度随之提升，因此其有着越小的浆料黏度，有利于涂布处理。同时，炭化处理后，样品有着更小的比表面积，故而其有着更多的锂离子迁移通道，且通道路径更短，因此负极材料有着更好的倍率性。
（二）炭化对人造石墨负极材料电化学性能的影响
对W4-1、W5-1、W6-1三种人造石墨负极材料进行电化学性能检测，检测项包括首次放电、首次充电容量以及首次效率。将每个样品制作成8个扣式电池，取8个电池测试综合结果。检测结果见表2：
表2 炭化对人造石墨负极材料电化学性能的影响
结合表2数据可得出，炭化后的人造石墨负极材料W6-1，其首次充放电有着最大比容量，导致这一结果机理在于炭化过程中，石油焦表面灰包裹无定形炭，会将直接石墨化处理所形成的孔径、裂纹结构缺陷有效修复，在改善表面形态基础上形成“核—壳”结构，有效降低不可逆容量，扣式电池的充放电效率以及倍率性得到显著提升。W4-1与W5-1，在充放电阶段会导致部分锂离子自正极脱出，随后镶嵌于负极，无法参与到充放电循环之中，如此便导致扣式电池充放电效率低于W6-1。
结语：
基于上述试实验结果，可得知炭化处理能够改变人造石墨材料的粒径分布与比表面积，且粒径越大，分布均匀度越强，故而有着越高的固含量，涂布处理更为简单。同时，在增加炭化工艺后，人造石墨负极材料首次充放电比容量大于直接石墨化、包覆造粒后石墨化的负极材料，炭化工艺能够增加锂离子迁移通道，继而促进锂离子材料倍率性。故而，最终可判定对人造石墨负极材料进行炭化处理，可提升首次库伦效率，首次充放电效率。
参考文献：
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[3] 丁浩原,庄云朋.电沉积还原氧化石墨烯对人造石墨锂离子电池负极材料电化学性能的影响[J].材料科学, 2021, 11(3):9.
作者简介：高凡（1995-），男，汉，安徽当涂人，助理工程师，学历：本科，单位：安徽科达新材料有限公司，研究方向：人造石墨负极材料。
