硬炭负极材料的生产工艺及装置

1011 编辑：中冶有色技术网来源：中钢集团鞍山热能研究院有限公司

2024-01-09 16:37:39

权利要求书： 1.一种硬炭负极材料的生产工艺，其特征在于，将沥青原料熔化后与树脂混合均匀进入焦化塔焦化，出焦后破碎筛分进入辊道窑内，进行活化处理，之后进入高温炭化炉内炭化得到硬炭负极材料；具体工艺步骤包括：

1）原料预处理：将沥青打入沥青熔化罐熔化；树脂打入树脂熔化罐熔化；

2）混料：将树脂熔化罐与沥青熔化罐中的物料打入混料罐，加热搅拌均匀；

3）焦化：混料罐中的物料打入焦化塔内，进行焦化；

4）蒸馏塔：焦化塔加压焦化出馏的馏分油进入蒸馏塔底部，经蒸馏得到轻相油和重相油；

5）粉碎筛分：焦化塔内成焦后，生焦进入粉碎机粉碎，筛分机筛分分级；

6）活化：分级后的焦粉，进入辊道窑内进行活化处理；

上述步骤5）中粉碎筛分粒度D50为10～25μm；

活化剂为水或二氧化碳，活化剂用量为0.5～5mL/min，活化温度为500～1200℃、活化时间0.1～10h，活化过程需要惰性气体保护；

7）炭化：辊道窑处理后的粉料进入高温炭化炉，进行炭化；

所述焦化塔压力为0.1～3Mpa，焦化温度为480℃～600℃，升温速率为1～30℃/min，恒温时间为1～8h；

上述步骤7）中的炭化温度为1000～2000℃，升温速率为1～30℃/min，恒温时间为1～

8h。

2.根据权利要求1所述一种硬炭负极材料的生产工艺，其特征在于，上述步骤1）中沥青的熔化温度为100～200℃，升温速率为1～15℃/min，恒温时间为0.5～5h。

3.根据权利要求1所述一种硬炭负极材料的生产工艺，其特征在于，上述步骤1）中树脂的熔化温度为50～150℃，升温速率为1～15℃/min，恒温时间为0.5～5h。

4.根据权利要求1所述一种硬炭负极材料的生产工艺，其特征在于，所述混料罐的温度为50～250℃，搅拌速度为20～50r/min。

5.一种如权利要求1所述的硬炭负极材料的生产工艺使用的装置，其特征在于，包括沥青熔化罐、树脂熔化罐、混料罐、焦化塔、蒸馏塔、破碎机、筛分机、辊道窑、高温炭化炉，所述沥青熔化罐和树脂熔化罐连接混料罐，所述混料罐连接焦化塔，所述焦化塔的轻相采出口连接蒸馏塔，所述焦化塔的出焦口向破碎机送料，破碎机向筛分机送料，筛分机向辊道窑送料，辊道窑向高温炭化炉送料；

斗式提升机连接料仓，料仓通过螺旋给料机向沥青熔化罐给送硬质沥青原料；软沥青原料直接进入沥青熔化罐内熔化，硬质沥青原料粗破后经过斗式提升机进入料仓，再经由螺旋给料机进入沥青熔化罐；沥青熔化罐与树脂熔化罐设有加热器和搅拌器。

6.根据权利要求5所述一种硬炭负极材料的生产工艺使用的装置，其特征在于，所述焦化塔为两个。

说明书：一种硬炭负极材料的生产工艺及装置技术领域[0001] 本发明属于负极材料领域，尤其涉及一种硬炭负极材料的生产工艺及装置。背景技术[0002] 随着化石燃料的日益枯竭及环境的逐步恶化，各国政府纷纷出台环保措施和新能源发展规划，迫切需要环境友好的可再生能源以替代当前正在大规模使用传统化石能源。为此，发展新能源一度成为各国抢占未来发展制高点的重要战略产业。锂离子二次电池作为一种绿色新能源电池，发展源于20世纪80年代，自1992年由日本Sony公司商业化开始便迅速发展，是当今国际公认的理想化学能源，具有高电压、能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等众多优点，已经在消费电子、电动工具、医疗电子等领域获得了广泛应用，在纯电动汽车、混合动力汽车、电动自行车、轨道交通、航空航天、船舶舰艇、工业节能、绿色建筑、空间技术等领域获得了广泛应用，已成为新一代可持续发展的绿色能源，尤其是新能源汽车，作为动力电池的核心的负极材料的市场需求量更是与日俱增。

[0003] 硬炭负极材料作为新兴负极材料，由于其立体交联结构使得它具有较高的Li+扩散系数和较宽的嵌锂电位区间，适合大电流充放电，倍率性能高、比容量高，成本低等特点，同样也被认为是将来最有潜力的锂离子电池负极材料。但是现今负极材料市场上的硬炭负极材料皆为近无定形碳结构的热解碳，一般>20000℃处理也很难石墨化，它们一般都是有机物(如酚醛树脂、环氧树脂、有机化合物热解碳、聚糖醇PEA等)经热处理制得，存在循环保持率低、循环构成中析锂严重等问题，且价格昂贵，市场利用率不高。发明内容[0004] 本发明提供了一种硬炭负极材料的生产工艺及装置，将不同的沥青原料，通过粗破或直接熔化后与树脂在混料罐混合均匀进入焦化塔焦化，出焦后破碎筛分后进入辊道窑内，进行活化处理，之后进入高温炭化炉内炭化得到电化学性能优异、材料结构稳定的硬炭负极材料。本发明制备的硬炭负极材料，电池安全性能高、倍率性能好、容量高、循环性能优良、抗衰减能力突出，且工艺方法简单可行且连续生产，是倍率型、容量型电池设备的优良原料。[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：[0006] 一种硬炭负极材料的生产工艺，将沥青原料熔化后与树脂混合均匀进入焦化塔焦化，出焦后破碎筛分进入辊道窑内，进行活化处理，之后进入高温炭化炉内炭化得到硬炭负极材料；具体工艺步骤包括：[0007] 1)原料预处理：将沥青打入沥青熔化罐熔化；树脂打入树脂熔化罐内熔化；[0008] 2)混料：将树脂熔化罐与沥青熔化罐中的物料打入混料罐，加热搅拌均匀；[0009] 3)焦化：混料罐中的物料打入焦化塔内，进行焦化；[0010] 4)蒸馏塔：焦化塔加压焦化出馏的馏分油进入蒸馏塔底部，经蒸馏得到轻相油和重相油；[0011] 5)粉碎筛分：焦化塔内成焦后，生焦进入粉碎机粉碎，筛分机筛分分级；[0012] 6)活化：分级后的焦粉，进入辊道窑内进行活化处理；[0013] 7)炭化：辊道窑处理后的粉料进入高温炭化炉，进行炭化。[0014] 上述步骤1)中沥青的熔化温度为100～200℃，升温速率为1～15℃/min，恒温时间为0.5～5h。[0015] 上述步骤1)中树脂的熔化温度为50～150℃，升温速率为1～15℃/min，恒温时间为0.5～5h。[0016] 所述混料罐的温度为50～250℃，搅拌速度为20～50r/min。[0017] 所述焦化塔压力为0.1～3Mpa，焦化温度为480℃～600℃，升温速率为1～30℃/min，恒温时间为1～8h。[0018] 上述步骤5)中粉碎筛分粒度D50为10～25μm。[0019] 上述步骤6)中的活化剂为水或二氧化碳，活化剂用量为0.5～5mL/min，活化温度为500～1200℃、活化时间0.1～10h，活化过程需要惰性气体保护。[0020] 上述步骤7)中的炭化温度为1000～2000℃，升温速率为1～30℃/min，恒温时间为1～8h。

[0021] 一种硬炭负极材料的生产工艺使用的装置，包括沥青熔化罐、树脂熔化罐、混料罐、焦化塔、蒸馏塔、破碎机、筛分机、辊道窑、高温炭化炉，所述沥青熔化罐和树脂熔化罐连接混料罐，所述混料罐连接焦化塔，所述焦化塔的轻相采口连接蒸馏塔，所述焦化塔的出焦口向破碎机送料，破碎机向筛分机送料，筛分机向辊道窑送料，辊道窑向高温炭化炉送料。[0022] 所述焦化塔为两个。[0023] 与现有的技术相比，本发明的有益效果是：[0024] 1)本发明制备的硬炭负极材料通过独特的生产工艺有效的兼顾软炭负极材料优异的循环性能与硬炭负极材料较高倍率性能，大功率密度条件下进行充放电，材料结构稳定，抗衰减能力突出，可以广泛的应用于各大电池材料领域；[0025] 2)本发明制备的负极材料具有优异的电化学性能，可以广泛应用于快充电池设备、锂离子、钠离子电池设备上；[0026] 3)本发明采用的焦化塔为连续式生产装置，实现连产，保障产能的最大化，经济效益可观；[0027] 4)本发明采用的蒸馏塔将蒸馏出的馏分油回收，蒸馏出轻相油出售，重相油可以回收，做特种沥青原料。[0028] 5)本发明活化工艺采用的活化工艺易于实现，活化原料具有无二次污染、成本低等特点。附图说明[0029] 图1是本发明的工艺流程图。[0030] 图中：1?软沥青原料；2?硬质沥青原料；3?树脂原料；4?沥青粉碎机；5?斗式提升机；6?料仓；7?螺旋给料机；8?沥青熔化罐；9?树脂熔化罐；10?混料罐；11?1#焦化塔；12?2#焦化塔；13?破碎机；14?筛分机；15?辊道窑；16?高温炭化炉；17?成品仓；18?蒸馏塔。具体实施方式[0031] 下面结合具体实施例对本发明的实施方式进一步说明：[0032] 如图1所示，一种硬炭负极材料的生产工艺，将不同的沥青原料，通过粗破或直接熔化后与树脂在混料罐10混合均匀进入焦化塔焦化，出焦后破碎筛分进入辊道窑15内，进行活化处理，之后进入高温炭化炉16内炭化得到硬炭负极材料，制得的硬炭负极材料比容量大于380mAh/g，首次效率大于80％，具体工艺步骤包括：[0033] 1)原料预处理：软沥青经泵由原料罐抽出，直接进入沥青熔化罐内熔化；硬质沥青经过粗破机粉碎后，经过斗式提升机4进入料仓6，螺旋给料机7将硬质沥青打入沥青熔化罐8熔化；树脂由泵打入树脂熔化罐9内熔化；硬质沥青粗破粒度为小于1cm的沥青粉料；

[0034] 2)混料：将树脂熔化罐9与沥青熔化罐8中的物料按照质量比树脂：沥青＝1:8～9打入混料罐10，加热搅拌均匀；[0035] 3)焦化：混料罐10中的物料经泵打入焦化塔内，进行焦化；[0036] 4)蒸馏塔：焦化塔加压焦化出馏的馏分油进入蒸馏塔18底部，经蒸馏得到轻相油和重相油；轻相油出售；重相油部分打入原料罐区，作为特种沥青原料。[0037] 5)粉碎筛分：焦化塔内成焦后，生焦进入粉碎机粉碎，筛分机筛分分级；[0038] 6)活化：分级后的焦粉，进入辊道窑15内进行活化处理；[0039] 7)炭化：辊道窑15处理后的粉料进入高温炭化炉16，进行炭化；[0040] 8)成品：炭化后料经过皮带通廊进入成品仓，包装。[0041] 上述步骤1)中沥青的熔化温度为100～200℃，升温速率为1～15℃/min，恒温时间为0.5～5h。[0042] 上述步骤1)中树脂的熔化温度为50～150℃，升温速率为1～15℃/min，恒温时间为0.5～5h。[0043] 所述混料罐的温度为50～250℃，搅拌速度为20～50r/min。[0044] 所述焦化塔压力为0.1～3Mpa，焦化温度为480℃～600℃，升温速率为1～30℃/min，恒温时间为1～8h。[0045] 上述步骤5)中粉碎筛分粒度D50为10～25μm。[0046] 上述步骤6)中的活化剂为水或二氧化碳，活化剂用量为0.5～5mL/min，活化温度为500～1200℃、活化时间0.1～10h，活化过程需要惰性气体保护。[0047] 上述步骤7)中的炭化温度为1000～2000℃，升温速率为1～30℃/min，恒温时间为1～8h。

[0048] 一种硬炭负极材料的生产工艺使用的装置，包括沥青熔化罐8、树脂熔化罐9、混料罐10、焦化塔、蒸馏塔18、破碎机13、筛分机14、辊道窑15、高温炭化炉16，所述沥青熔化罐8和树脂熔化罐9连接混料罐10，所述混料罐10连接焦化塔，所述焦化塔的轻相采出口连接蒸馏塔18，所述焦化塔的出焦口向破碎机13送料，破碎机13向筛分机14送料，筛分机14向辊道窑15送料，辊道窑15向高温炭化炉16送料。[0049] 斗式提升机4连接料仓6，料仓6通过螺旋给料机7向沥青熔化罐8给送硬质沥青原料。软沥青原料1直接进入沥青熔化罐8内熔化，硬质沥青原料2粗破后经过斗提进入料仓5，再经由螺旋给料机7进入沥青熔化罐8；焦化塔轻相采出口与蒸馏塔18入口相连接；沥青熔化罐8与树脂熔化罐9设有加热器和搅拌器。[0050] 所述焦化塔为两个，1#焦化塔11、2#焦化塔12；焦化、出焦交替使用，实现连产。[0051] 实施例：[0052] 采用本发明一种硬炭负极材料的生产工艺，记录了5批次的主要指标见表1；[0053] 表1各批次原料及主要指标[0054]批次原料沥青软化点(℃) QI(wt％) 灰分(wt％)

1 煤系软沥青 31 2.50 0.08

2 煤系硬质沥青 98 5.64 0.24

3 石油沥青 42 痕量 0.09

4 进口石油沥青 115 1.16 0.12

5 煤沥青：石油沥青＝1:1混合 36 1.68 0.10

[0055] 实施例中焦化塔工艺参数见表2：[0056] 表2延迟焦化工艺主要参数[0057][0058] 实施例中各批次活化工艺参数见表3：[0059] 表3活化工艺参数[0060][0061] 实施例中各批次炭化工艺参数见表4：[0062] 表4炭化工艺参数[0063][0064] 实施例中各批次的负极材料指标见表5[0065] 表5负极材料主要指标[0066]批次 D50(μm) d002(nm) 充电比容量(mAh/g) 首次效率(％)

1 12.25 3.6950 391 93.12

2 22.13 3.7476 396 85.22

3 23.56 3.6514 383 92.15

4 17.42 3.6641 402 90.37

5 20.53 3.6889 415 90.76

[0067] 以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，仅为本发明脚架的实施例而已，并非是对本发明其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员，凡在为脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质及构思所做出的任何简单修改，等同变换与改型，仍属于本发明的保护范围。