用生石油焦和水溶性粘结剂制造的坩埚及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及坩埚制造技术领域，具体涉及一种用生石油焦和水溶性粘结剂制造的 坩埚及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 锂离子电池因其具有能量高、电池电压高、工作度范围宽、贮存寿命长等优点，已 广泛应用于军事和民用小型电器中。负极材料是锂离子电池的关键材料之一，而碳质材料 常用的锂离子电池负极的材料，目前常用的碳负极材料主要有天然石墨和人造石墨，天然 石墨含有很多矿物杂质，且生产的效率不高，严重的制约了天然石墨的精细化开发应用。
[0003] 人造石墨是将易石墨化碳经2800度以上超高温石墨化处理制得，作为锂离子电池 负极材料的人造石墨类材料主要有中间相碳徽球石墨、石墨纤维，及其他各种石墨化碳等。 其中人们最为熟悉的是高度石墨化的中间相碳微球，简称MCMB，商品化的高度石墨化MCMB 具有优良的循环性，是目前长寿命小型锂离子电池及动力电池所使用的主要负极材料之 一。中间相沥青碳微球作为锂离子电池负极材料使用时，需要将未石墨化的碳负极粉盛装 在用石墨材料制造的碳坩埚中，然后将坩埚装入石墨化炉进行2800°C以上石墨化处理，这 种由石墨材料制造的坩埚价格非常昂贵，大大增加了负极材料的生产成本。
[0004] 目前使用的生产碳负极材料用坩埚，是用石油焦经过煅烧、破碎、加沥青粘结剂混 合、挤压或模压成型、焙烧、石墨化等工序制造成毛坯料，再通过机械加工制造成碳坩埚成 品这种坩埚的缺陷主要有：一、生产工艺复杂，用石油焦经过煅烧、破碎、加沥青粘结剂混 合、挤压或模压成型、焙烧、石墨化和机械加工等工序，每一道工序都有特定的工艺要求，生 产工艺非常复杂；生产周期长。从原料投入到成品出厂，生产周期长达3个月左右；二、产品 成品率低，在生产过程中因坯料开裂容易出现废品，在机械加工时又要从坯料中掏出空间 作为盛装碳负极材料的容器，使好的坯料变成了无用切削粉末，坯料的有效利用率只有 43%左右;三、产品品种单一，为了机械加工制造的方便，只能生产圆柱形的坯料来加工圆 柱形的坩埚，如果要加工其他形状的坩埚，坯料的损耗更大，产品的成品率更低；四、消耗能 源，在生产过程中需要高温进行混合、焙烧和石墨化，造成大量的能源消耗;五、环境污染， 在生产过程中粉尘和烟尘无法有效控制，工作环境恶劣，且沥青在焙烧和石墨化过程中释 放出有毒气体;六、生产成本高，由于需要焙烧或石墨化处理生产坩埚，需要消耗大量能量， 加上废品率较高，生产一吨负极粉需要坩埚成本约为4000-5000元。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种石油焦制作坩埚 的方法。
[0006] 为解决上述问题，本发明提出一种用生石油焦和水溶性粘结剂制造坩埚的方法， 包括以下步骤：
[0007] 步骤一、将生石油焦破碎至小于4mm;
[0008] 步骤二、将水溶性有机溶剂与稀释剂按照3-10:10-25的质量比混合制成粘结剂溶 液；
[0009] 步骤三、将粘结剂溶液与破碎完毕的生石油焦按一定比例混合，搅拌60-150分钟 得到糊料，所述糊料中水溶性有机溶剂、稀释剂和生石油焦的质量比为3-10 :10-25 :90-105；
[0010]步骤四、将上述糊料分别放入坩埚模具中，采用机械振动或者压力成形方法成型 得到坩埚湿胚；
[0011]步骤五、将成型的坩埚湿胚取出静置1-3天干燥后脱模，得到坩埚粗胚；
[0012] 步骤六、在坩埚粗胚中加入碳负极材料后进行石墨化处理，即得到合格的坩埚。
[0013] 上述技术方案中，所述步骤二中的水溶性有机溶剂为α-淀粉或可溶性壳聚糖。
[0014] 上述技术方案中，所述步骤二中的稀释剂为自来水、纯净水或去离子水。
[0015] 上述技术方案中，所述步骤三中机械振动成型是将装有糊料的坩埚模具放入振动 成型机中，在振动频率2950-3200次/分钟下振动15-25分钟，振幅1.1-1.3mm，机械振动成型 后i甘埚湿胚的密度为1.5-1.6g/cm3〇
[0016] 上述技术方案中，所述步骤三中压力成形是将装有糊料的坩埚模具放入压力成型 机中，在1 -5KPa压力下，压制5-20分钟。
[0017] 上述技术方案中，所述步骤五中坩埚粗胚的抗压强度大于0.5MPa。
[0018] 上述技术方案中，所述步骤六中的石墨化处理是将坩埚粗胚中加入碳负极材料后 放入石墨化炉，在坩埚粗胚周围放置电阻料，加热至炉温达到2800-2950°C。
[0019] 本发明还公开了采用上述方法制造的圆形或方形坩埚，特别是一种内部中间设置 有隔栅的方形坩埚。
[0020] 本发明利用生石油焦含有一定的焦油和易挥发组份，将生石油焦破碎成适当的颗 粒，加入适量的非沥青质水溶性粘结剂和稀释剂，与生石油焦的颗粒在常温下进行混合形 成糊料，将这种糊料装入坩埚模具，通过模压或者振动成形制成坩埚，这种坩埚在常温下通 过粘结剂的粘合力固定成形，在装入石墨化炉以后，生石油焦含有的焦油在适当的温度区 域排出挥发份，剩下的焦油碳化把碳颗粒粘结一起，在升温过程中坩埚周围的电阻料和坩 埚内的碳负极材料保持了坩埚的形状不发生变化，直到达到石墨化高温，不仅坩埚内的碳 负极材料实现了石墨化，坩埚本身也实现了石墨化。本发明的优点是：
[0021] -、节能能源，在生过程中，省去了原料煅烧、半成品焙烧和石墨化的工序，节省了 大量的能源。
[0022]二、、环保生态，采用非沥青质水溶性粘结剂，不仅减少了废气和尘土，同时粘结性 能好，不影响坩埚的石墨化过程。
[0023]三、提高了生产效率，本发明省去了原料煅烧、半成品焙烧和石墨化的工序，生产 工艺简单，没有中途生产的废品和机械加工的废料，成品率大大提高。
[0024]四、节省了人力物力，流程减少从而减少了坩埚生产的人工需要，相比现有技术节 约人工成本70%以上。
[0025]五、节省了土地使用面积和建筑投资，本发明不需要对原料进行煅烧和焙烧，占地 面积只需要400平方米左右，与现有的坩埚生产相比，节约土地两倍以上；同时建设投资在 数百万以内就可以建成一套年产5万只碳坩埚的生产系统，相比用石墨化坯料通过机械加 工制造的碳坩埚，整个系统投资需要数千万元元乃至过亿元，节约资金数十倍。
[0026] 六、维护成本低，维修方便，整个系统只需要通用的破碎机、振动成形机或压力成 型机，维修和保养方便。
[0027] 七、可以实现多品种生产，运用本发明既可以生产圆形的坩埚，也可以生产方形的 坩埚，特别是生产中间带隔栅的方形坩埚，这种带隔栅的方形坩埚到石墨化加热的后期坩 埚本体也成了发热电阻时，隔栅和被格栅分隔的左右坩埚本体形成三个电阻并联同时发 热，使坩埚中的碳负极材料受热更加均匀，生产出的碳负极粉的质量会更好。
【附图说明】
[0028]图1为本发明方法的流程示意图；
[0029] 图2为本发明方法生产的圆形坩埚的剖面结构示意图；
[0030] 图3为本发明方法中方形带格栅坩埚的外观示意图；
[0031] 图4为图3中A-A处的剖面