石墨粉末生产和处理的方法

石墨粉末生产和处理的方法
【专利摘要】本发明提供了石墨粉末生产和处理的方法。本发明涉及一种在Acheson类炉子中生产和热处理碳材料、特别是石墨粉末的方法，使用基本由石墨材料以颗粒形式构成的功能性填料以便允许电流流过装料。填料的颗粒形式允许较大灵活性并可用来控制直接和间接加热的程度，导致与现有技术相比更均匀的产物。这样的石墨材料通常在聚合物、电池或其它应用中应用为添加剂。
【专利说明】石墨粉末生产和处理的方法
[0001] 本申请为申请日为2009年10月27日，申请号为200980142818. 4,发明名称为"石 墨粉末生产和处理的方法"的发明专利申请的分案申请。

【技术领域】
[0002] 本发明涉及在聚合物、电池或其它应用中用作添加剂的碳材料特别是石墨粉末的 生产和处理的热处理设备和新方法或工艺。

【背景技术】
[0003] 在近年中，在许多领域中为新生产技术的需要产生具有提高的性能的新石墨材料 的需求。在这点上两个重要因素是灵活性和生产性。特别地，在锂离子电池中用于阳极的 石墨的发展在该领域中的关注在增加。
[0004] 在20世纪早期中发展的Acheson技术（美国专利No. 933944)描述通过电阻加热 对含碳材料热处理的方法或工艺。然而，该方法基于在粘合剂存在下焦炭石墨化而显示出 其局限性。石墨化碳（石墨）必须研磨（ground)。新碾磨导致生产的石墨具有相当活性表 面的特点。
[0005] 基本上，基于Acheson的全部石墨化过程需要高投资以及该批（batch)过程的昂 贵的处理。此外，已知均质（homogeneous)产物的生产如在Acheson专利中描述在分离很 大程度上由碳化硅组成的外壳时需要特殊关注。
[0006] 如在图1A和图1B中图解，在Acheson炉中含碳材料的热处理通过两个不同机制 发生：1)电阻加热（焦耳效应或直接加热）和2)热传导（间接加热）。Acheson炉子的装 料通常由待处理的含碳材料构成，其中含碳材料围绕石墨的核心（由固体杆或棒构成）安 置，其中该核心在供应电能的电极之间对准（见于图2A和图2B)。核心允许电流在电极之 间流动,通过该流动实心材料通过电阻加热来加热。石墨化过程从核心和围绕核心的含碳 材料之间的接触表面区中开始，并且由从热核心热传导的热对含碳材料间接加热引起。围 绕核心的含碳材料的欧姆电阻率通过进行石墨化降低，并因此，接触区的加热变得越来越 是直接加热的结果。总之，含碳材料的石墨化在从核心到炉子的含碳装料的外表面的径向 方向上进行。从上面描述可容易得出在炉子的半径上直接和间接加热的程度不均匀，但含 碳材料的近端部分与远端部分相比经受更多直接加热。在炉子直径上施加到含碳材料装料 的不同部分的热量中的差通过在炉外部的空气的冷却效应混合，在炉子直径上产生石墨化 梯度，并因此导致的产物缺少均质性。
[0007] 另一方面，石墨化的Acheson方法具有许多优点。例如，设备是鲁棒的并且极少经 受故障。因此，在石墨材料的制备中仍普遍采用Acheson方法。然而，在本领域中存在改善 石墨材料的制备过程的需要以及将众所周知的设备的优点与获得产物的更均质特性结合 的需要。
[0008] CN1834205A报告了石墨化方案，其中加热核心通常由若干导电加热核心的棒组 成，通过许多1.8米固体导电碳材料件形成。该方法的缺点是通过必需使用和排列许多大 固体碳材料件从而形成加热核心，该方法麻烦且布局相当受限。因此，该方案局限于非常小 量的产物。
[0009] 美国专利No. 7,008,526包括预磨（pre-ground)含碳前体的石墨化。由于该应 用限定它自身仅预磨含碳前体，因此在此描述过程的效用相当有限。此外，不同于Acheson 炉，马弗炉是该应用的热源，并因此加热仅可通过热传导（间接加热）发生。
[0010] GB2185559A描述通过电阻连续石墨化碳体的方法。在此描述的该方法因此本质上 不同于Acheson类方法，其中将待处理的含碳材料立刻装载到炉子，而且在处理结束之后 从炉中移除。
[0011] SU1765115A1描述热处理含碳材料的进一步方法，其中炉子包含了固体电介质材 料的"网格"以便输送处理过程必需的热。因此，由于传导元件的复杂设置，因此可能的过 程配置相当有限。
[0012] 美国专利No. 6, 783, 747描述使用了其壁由填满待石墨化材料的石墨制成的容 器。通过电极供应的电流流过容器壁，该容器壁通过焦耳效应反过来被加热。这样生成的 热经热传导基本传输到在盒子里面的待处理的粉末。该技术具有许多缺点：
[0013] ?必须使用昂贵的盒子；
[0014] ?由于在容器中生成侵蚀性气体产生的腐蚀引起盒子高损耗；
[0015] ?填满、安置和清空盒子的缓慢和高昂处理成本。
[0016] 考虑到本领域的状态，仍需要改善的方法，其中要求的热处理的含碳产物可在 Acheson类的炉子中高效和方便制备。


【发明内容】

[0017] 本发明人已发展了一种制备或处理含碳材料（例如，石墨粉末）的方法或工艺，其 中在Acheson类炉子中石墨的固体核心（通常由现有技术的杆或棒构成）已被颗粒形式的 石墨材料替代。至今为止石墨材料利用在电流流过材料时观察到的焦耳效应，用来产生要 求的电阻加热，它也可称为"功能性填料"。此外，由于不再必需使用装入待处理的含碳材料 的石墨容器，因此本发明的新颖方法或工艺比现有技术更高效和安全。
[0018] 本发明提供的以颗粒形式（粉末状或粒状材料）的"功能性填料"的使用允许在 方法或工艺参数选择中更大灵活性、有助于控制直接和间接加热程度，并可在下面为说明 本发明现在更详细描述的众多配置中利用。
[0019] 在一方面中，本发明提供一种用于在Acheson类的炉子中对含碳材料进行热处理 的方法，其特征在于除待处理的含碳材料之外，还将基本由石墨材料以颗粒形式构成的功 能性填料添加到反应器中，以便允许电流流过装料（charge)。
[0020] 通常，功能性填料的石墨材料具有范围从大约1 μ m到大约10mm，优选从大约 ΙΟμπι到大约1mm的平均粒度（particle size)。本发明的功能性填料因此主要由导电石 墨材料组成，并也可含有在石墨化或者石墨处理过程的普遍采用的一些添加剂。
[0021] 从本发明的方法或工艺获得的含碳材料通常具有用传统方法获得的材料相比提 高的均质性的特点。此外，本发明的方法或工艺利用热处理期间控制含碳材料的直接和间 接加热的程度来提供调整获得的材料的性质的便利方式。后者通过在Acheson类炉子里面 布置待处理的材料和功能性填料实现，如在下面更详细解释。通过"微调"功能性填料和待 处理的材料的布置的可能性，取决于获得的产物的要求性质，可实现基本任何程度的直接 和间接加热。
[0022] 因此也容易明显，通过本发明提供的新颖方法或工艺允许在Acheson类的炉子内 实现更均匀加热。
[0023] 在一些实施例中，含碳材料是通过本发明的方法石墨化的材料。在其它实施例中， 含碳材料是通过本发明的方法热处理和/或净化的材料。优选地，加工的含碳材料和/或 功能性填料基本具有均匀的粒度，即，具有狭窄的粒度分布。后者具有为从反应器中存在的 功能性填料分离处理的材料的明显优点。
[0024] 本发明的方法通常在约2000°C直到3500°C的温度下进行。优选地，在Acheson类 方法中石墨化的温度大于大约2500°C。
[0025] 除功能性填料和待处理的含碳材料之外，该方法可采用另一含碳材料作为块绝缘 体材料，即具有低导电率。再次，所述块绝缘材料通常为颗粒形式，并且基本优选具有基本 均匀的粒度。
[0026] 在某些实施例中，通过以混合物形式向Acheson类炉子装填含碳材料实现直接和 间接加热的程度的控制，该混合物由下面内容构成
[0027] a)待处理的含碳材料，以及
[0028] b)由允许电流流过装料的石墨材料以颗粒形式构成的功能性填料。
[0029] 在一些实施例中，a)和b)的混合物由具有克服导致的混合物的渗流阈值 (percolation threshold)的量的功能性填料构成。渗流阈值取决于两种材料的特定性质， 并可由本领域技术人员容易确定。在大多情况下，为获得混合物的充足导电率必需至少5% 含量的功能性填料。当然，对于其中处理的含碳材料是石墨材料并因此已经导电的实施例， 较少或甚至完全不需要功能性填料添加到待处理的石墨材料。
[0030] 在其它实施例中，待处理的含碳材料的直接和间接加热的程度通过石墨材料和待 热处理的含碳材料的共同的三维排列控制。
[0031] 在某些实施例中，在方法或工艺中直接和间接加热的程度通过以石墨材料的一个 或更多层分离的层形式的待处理的含碳材料装填到Acheson类炉子来控制，其中颗粒形式 的石墨材料充当使要求的电流流动成为可能的功能性填料。优选地，在以Acheson类炉子 的剖面观察时，含碳材料和石墨材料的层以交替方式安置。
[0032] 在其他可替换实施例中，通过以核心"棒"（由颗粒材料构成）形式的含碳材料装 填到Acheson类炉子来控制在该方法中直接和间接加热的程度，其中通过允许电流流动的 功能性填料包围所述心棒。
[0033] 在进一步的可替换实施例中，在方法或工艺中可通过将处理的含碳材料装填到 Acheson类炉子，并在允许电流流动的一个或更多"棒"形式的电极之间布置以颗粒形式的 石墨材料，控制直接和间接加热的程度。在优选实施例中，石墨材料的"棒"在以剖面观察 时具有矩形形状。当然，功能性填料以颗粒形式进入方法或工艺，并且在方法或工艺结束时 以颗粒形式移除。
[0034] 在上面实施例中任何实施例，石墨功能性填料和含碳材料可方便具有不同的颗粒 尺寸（grain size),由此允许处理的含碳颗粒通过在本领域中可用的标准技术从功能性填 料分离。在优选实施例中，在热处理之后通过具有分别对应采用的填料和含碳材料的颗粒 尺寸的网孔尺寸的滤网将冷炉子的内容物分类。
[0035] 在某些实施例中，除待处理的含碳材料和功能性填料之外，还向反应器添加具有 低导电率的颗粒形式的含碳材料。这样的材料在此称为固体块绝缘。在优选实施例中，充 当固体块绝缘的所述含碳材料具有低导电率。合适例子是焦炭（例如石油焦炭）、无烟煤等 等。
[0036] 在其它实施例中，含碳材料可在石墨容器内装填到Acheson类炉子，其中将石墨 容器埋入允许电流流动的以颗粒形式的石墨材料（功能性填料）中。
[0037] 在上面实施例中任何实施例，含碳材料和/或充当功能性填料的石墨材料可进一 步含有一种或更多催化剂化合物、成核剂、粘合剂、涂层或在这样过程中普遍采用的任何其 它添加剂。
[0038] 含碳材料的代表形式包括焦炭（未加工的（green)或煅烧过）、石油焦炭、浙青 焦炭、碳化木或其它生物产物、针状焦炭、海绵状焦炭、冶金焦炭、煤焦油基碳和内消旋碳 (mesocarbon)、无烟煤、合成石墨、天然石墨、膨胀石墨、碳化聚合物、炭黑或其结合。
[0039] 适合处理或充当功能性填料的石墨材料的代表形式包括合成石墨、天然石墨、膨 胀石墨或其结合。

【专利附图】

【附图说明】
[0040] 图1A和图1B示出适合执行本发明的过程的Acheson类炉子。
[0041] 图2A和图2B示出以常规方式装填的Acheson类炉子，其中待处理的含碳材料围 绕石墨的核心。
[0042] 图3A和图3B示出Acheson类炉子，其中功能性填料围绕待处理的含碳材料的核 心装填。
[0043] 图4A和图4B示出Acheson类炉子，其中功能性填料和待处理的含碳材料以混合 物形式装填。
[0044] 图5A和图5B示出Acheson类炉子，其中功能性填料以待处理的含碳材料之间的 层的形式装填。
[0045] 图6A和图6B示出Acheson类炉子，其中功能性填料以待处理的含碳材料包围的 两根棒的形式装填。
[0046] 图7A和图7B示出Acheson类炉子，其中待处理的含碳材料放置在被埋入在功能 性填料内的石墨容器中。

【具体实施方式】
[0047] 本发明的一个目标是为使用Acheson类的炉子制备基本均质的石墨提供高效过 程。本发明人发现通过使用颗粒形式的功能性填料，可操控直接和间接加热的程度，通过其 可如要求微调获得的热处理含碳材料的性质。通过本发明的方法获得的产物可以用于例如 锂离子电池。
[0048] 本发明的过程提供：
[0049] ?高效和成本有效过程从而通过直接和间接加热的结合热处理含碳粉末和/或颗 粒；
[0050] ?高效和成本有效过程从而净化石墨并从而排出杂质；以及
[0051] ?允许在调整热输入，特别关于直接对间接加热的程度中的较大灵活性的高效和 成本有效的过程。
[0052] 通过采用本发明的过程，例如，可通过操控在反应器里面含碳材料和颗粒形式的 石墨功能性填料的空间排列产生纯化形式的合成石墨。例如，可通过操控含碳材料和所述 石墨材料的分层构造（例如，层厚度、层的数量和层的取向）、含碳材料对石墨材料的比率 或含碳材料和/或石墨材料的粒度实现直接对间接加热的要求程度。另外，含碳材料和石 墨材料的体积比也可变化，从而实现直接和间接加热的要求程度。当然，这些操控中的任何 都可结合使用。
[0053] 本发明进一步容许含碳材料用或不用提供粒度与层厚度和填满操作相容的预磨 处理。
[0054] 1.炉子和颗粒填满
[0055] 反应器（Acheson类炉子）通常包含金属框架和耐火衬砌。电极安置在反应器的 两个末端，如在图1A和图1B中示出。
[0056] 由于直接对间接加热的程度影响获得的材料的性质，因此在反应器里面对热处理 的含碳材料和功能性填料的空间排列通常调整以便实现获得的材料的要求性质。粉末和/ 或颗粒通常通过将材料带进选择位置的计算机引导的臂形件沉淀。
[0057] 在一些实施例中，含碳材料和以颗粒形式的石墨功能性填料可布置在炉子内多个 交替层中。可预编程各种层的厚度。此外，层中各材料的粒度可基于预确定的特征选择。 这些参数和本领域其它已知参数可单独或结合选择，以便在理想水平影响含碳材料的加热 率。
[0058] 例如，待处理的含碳材料和颗粒形式的功能性填料（分别见于在附图参考表中的 (1)和（m))可通过在开始加热之前保留在原位的纸板片，或通过在开始加热之前移除的金 属片分离。可替换地，不同材料可通过允许它们在整个过程中保留它们的形式或保持限制 的任何其它技术分离。在此意义上，定义各材料的离散区采用没有围住的、分离的物理障碍 的单体形式。
[0059] 在其它实施例中，材料也可呈现为具有不同晶化水平的混合粉末和/或颗粒，并 且材料的粒度不同。在Ancheson类过程中，炉子的绝缘不可仅包含耐火材料构成的外衬 砌，而是也可包含围绕待热处理的含碳材料的和允许电流流动的功能性填料的绝缘装料。 如上面解释，这样的固体块绝缘材料通常由具有低导电率的含碳材料，例如石油焦炭等等 构成。
[0060] 直接对间接加热的程度的控制可通过若干不同空间排列实现。例如，通过围绕待 处理的含碳材料的核心装填以颗粒形式的功能性填料（见于图3A和图3B)和/或通过使 功能性填料（见图3A和图3B，m)和/或待处理的含碳材料（见于图3A和图3B，1)的厚度 调整，在径向方向上直接加热的过程导致在加工期间减少的热梯度。迅速加热含碳材料，并 且在全部厚度上经受快速石墨化，因此热量中大多经电阻（即，直接）加热直接施加。
[0061] 在另一实施例中，功能性填料和处理的含碳材料可以交替层形式装填到炉子（见 于图5A和图5B)。可替换地，颗粒形式的功能性填料可以"棒"形式（见于图6A和图6B) 装填，在电极之间对准（line up)并经过待处理的含碳材料。此外，通过上述装填的材料的 排列降低遍及炉子的直径的热梯度。
[0062] 在可替换实施例中，功能性填料和处理的含碳材料可以混合物形式装填到炉子 (见于图4A和图4B)。在混合物中功能性填料的内容物，以及功能性填料的颗粒尺寸可改 变并可用来影响或控制加热速率和直接与间接加热的相对水平。混合物的类型可以是质量 的确定因素，但也可以是加工需求。具有已石墨化型式的处理的材料的混合物可简化清空 和筛选过程，并使操作员能够通过合适调整比率生成新材料。
[0063] 待处理的细材料与粗糙的功能等级的混合可促进筛选过程。尽管本 申请人:不希望 限于任何种类的理论，但需要理解的是大多数电阻热在功能性填料的粒面的接触中产生， 以及混合物起到了导电合成物的作用（通过混合导电材料和较低导电率或者甚至绝缘的 材料），其中每个合成物都可导致经历特别加热历史的新产物。可以理解的是如果在功能性 填料颗粒之间的接触表面的总数增加，那么直接加热的效果也提高。此外，由于通过热处理 减少待处理的材料的电阻率，因此在合成物中直接加热逐渐取代间接加热。
[0064] 在一些实施例中，处理的含碳材料可已经展现相对低电阻率。在这样的情况下，它 也可用作它自己的功能性填料。
[0065] 在上面实施例的全部中，在热处理结束之后从功能性填料分离处理的含碳颗粒的 分离过程可通过采用具有不同颗粒尺寸的功能性填料和含碳材料来简化。例如，冷炉子的 内容物可通过具有分别对应采用的填料和含碳材料的颗粒尺寸的网格尺寸的筛网分类。 [0066] 在另一可替换实施例中，待处理的含碳材料可通过填满含碳材料到石墨构成的一 个容器，并优选填满到多于一个容器（图7A和图7B)来装填到炉子，其中装载的容器嵌入 在炉子里面的功能性填料中。在该实施例中，由于少量或没有电流通过石墨容器内的待处 理的含碳材料，含碳材料的加热是大范围间接加热。
[0067] 在上面实施例中任何一个实施例中，功能性填料和/或含碳材料可含有一种或更 多催化剂化合物，从而增加希望的反应的速率。石墨化的催化剂在本领域中已知，并包括但 不限于碳化物形成成分，例如铁、氧化硅或金属硅、氧化硼或金属硼、氧化铝或金属铝。功能 性填料和含碳材料也可含有粘合剂、涂层和在该【技术领域】中普遍采用的其它添加剂。
[0068] 2.炉子设计
[0069] 通常，Acheson类炉子在本领域中已知。为本发明的目的，在附图中图解的第三固 体块绝缘通常由具有低导电率的含碳材料例如石油焦炭或无烟煤或其它合适（惰性）材料 构成。在其中后者在与热处理的材料直接接触中的情况下，粒度通常经选择不同，从而允许 在过程结束的方便分离。第二固体绝缘通常由耐火材料例如碳化硅或合适的金属氧化物构 成。
[0070] 为本发明的目的，可有利使用小于通常采用尺寸的Acheson类炉子。由于标准 Acheson过程的能源效率不是非常高，因此石墨化在具有在大约100吨的待石墨化的含碳 材料范围中的总负载的非常大的炉子中频繁执行。然而，为到达具有如在此描述定义的三 维排列或形状反应器的装料的目的，如果采用较小尺寸的炉子，那么经常更容易执行炉子 的受控的装填和排出。
[0071] 3·结果
[0072] 发现直接和间接加热给予热处理的材料非常不同的特征。这通过从其中含碳材料 仅直接加热的试验获得的结果说明，由此在另一实施例中，相同含碳输入材料仅通过以其 它相似装置间接加热处理。直接加热根据在图4A和图4B中描述的排列执行。间接加热已 经根据在图7A和图7B中描述的排列执行。
[0073] 如从下面表中示出的结果可见，针对具有在石墨化之后相似粒度的无定形碳起始 材料（starting materials),直接加热生成一材料，该材料具有与通过间接加热石墨化的 材料相比如通过较高二甲苯密度表示的高结晶度、较高厚度的结晶石墨晶畴（domain)、较 高特定BET表面积，以及较低石墨夹层距离c/2。在平均的较大石墨层但在较低的平均夹层 距离进行观察；并且表面积/粒度的比率表示在直接加热情况下的稍高多孔性。从这些试 验获得的详细参数在表1中列出。
[0074] 表1 :为起始材料和处理材料确定的参数
[0075]

【权利要求】
1. 一种通过直接加热形成的含碳材料，所述含碳材料与通过间接加热形成的石墨相比 具有较高的结晶度、较高的二甲苯密度、较高的结晶晶畴厚度、较高的特定BET表面积。
2. 根据权利要求1所述的含碳材料，所述含碳材料通过在Acheson类的炉子中进行热 处理而制备，其中除待处理的含碳材料之外，还将包括以颗粒形式的石墨材料的功能性填 料添加到所述炉子中以便允许电流流过装料，其中所述功能性填料以克服渗流阈值的量存 在。
3. 根据权利要求2所述的含碳材料，其中所述功能性填料的所述石墨材料具有从1 μ m 到10mm范围的粒度。
4. 根据权利要求2所述的含碳材料，其中调整在所述炉子中的待热处理的所述含碳材 料和所述功能性填料的空间排列，以便实现获得的材料的要求性质。
5. 根据权利要求2至4中任一项所述的含碳材料，其中所述待处理的含碳材料以混合 物形式装填到所述Acheson类炉子中，所述混合物由下面内容构成 a) 所述待处理的含碳材料，以及 b) 由允许电流流过所述装料的以颗粒形式的石墨材料构成的所述功能性填料。
6. 根据权利要求2至4中任一项所述的含碳材料，其中所述待处理的含碳材料以通过 所述功能性填料中一个或更多层分离的多层的形式装填到所述Acheson类炉子。
7. 根据权利要求2至4中任一项所述的含碳材料，其中所述待处理的含碳材料以心棒 的形式装填到所述Acheson类炉子，其中允许电流流动的所述功能性填料包围所述心棒。
8. 根据权利要求2至4中任一项所述的含碳材料，其中所述待处理的含碳材料装填到 所述Acheson类炉子，并且其中以颗粒形式的所述石墨材料以一根或更多棒的形式布置在 电极之间。
9. 根据权利要求1至4中任一项所述的含碳材料，其中直接加热的程度的控制通过围 绕待处理的含碳材料的核心装填以颗粒形式的功能性填料和/或通过使功能性填料和/或 所述待处理的含碳材料的厚度调整实现，在径向方向上直接加热的过程导致在加工期间减 少的热梯度。
【文档编号】C01B31/04GK104085885SQ201410348002
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2009年10月27日 优先权日:2008年10月27日
【发明者】法比奥·罗塔, 埃多·罗塞蒂, 达维德·卡塔内奥, 米夏埃尔·斯帕尔 申请人:特密高股份有限公司