具有高导电性的炭黑及其制备方法、设备和电极、二次电池与流程

本发明涉及炭黑材料，尤其是涉及一种具有高导电性的炭黑及其制备方法、设备和电极、二次电池。

背景技术：

1、锂离子二次电池的正极和/或负极一般添加导电材料以改善电导率。通常，电极中主要添加点型导电材料，例如炭黑；同时，还可以添加线型导电材料，例如，碳纳米管、碳纳米纤维等，以进一步提高电极的电导率。

2、然而，尽管线型导电材料具有优异的导电性，但是由于其一般呈束型和/或缠结型，所以不容易在电极浆料中均匀分散，因此，会导致电极电阻的均匀性变差。为了解决分散性问题，可以在线型导电材料中引入官能团。然而，官能团的引入可能在导电材料的表面上引起副反应，难以实现在电池中的大规模应用。

3、同时，石墨烯具有优异的导电性，可以用作平面导电材料。然而，具有高电导率的单层石墨烯的制备工艺困难、生产成本高。而当石墨烯的厚度大于一定水平时或者平面尺寸过大时，会存在石墨烯过多的表面接触阻止电极中的电解质的移动的问题，从而导致电池性能的恶化。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供具有高导电性的炭黑及其制备方法、设备和电极、二次电池，本发明的炭黑同时具有炭黑和石墨烯的特性，可以显著提高导电率，并且制备方法简单。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明一方面提供了具有高导电性的炭黑，所述炭黑的初级粒子的平均粒径为20～40nm；

3、所述炭黑的初级粒子包括球体和位于所述球体表面的类石墨烯片凸起。

4、在本发明的具体实施方式中，所述类石墨烯片凸起为多层石墨烯。进一步地，所述多层石墨烯的层数≤10，如为2～8层。

5、在本发明的具体实施方式中，所述类石墨烯片凸起中的任意两点之间距离的最大值为10～50nm。

6、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑为乙炔黑。

7、在本发明的具体实施方式中，所述类石墨烯片凸起原位生长于所述球体表面。

8、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的bet比表面积为65～180m2/g；dbp吸油值为235～375cm3/100g。

9、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑在激发波长为532nm的2d拉曼光谱中，在2648～2660cm-1范围内的2d拉曼散射峰的半峰全宽δ2d为80～90cm-1；2d拉曼散射峰的峰强与g拉曼散射峰的峰强的比率为0.55～0.87。进一步地，所述炭黑的拉曼微晶平面尺寸为

10、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的结晶度为42％～52％，如46％～52％。

11、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的粉末电阻率为0.13～0.206ω/cm。

12、本发明另一方面提供了上述任意一种所述炭黑的制备方法，包括如下步骤：

13、乙炔和甲烷在含氢气且隔绝空气的环境中进行热裂解反应形成炭黑；

14、其中，调控乙炔、甲烷和氢气的流量使热裂解反应区的h与c的摩尔比值＞1。

15、在本发明的具体实施方式中，所述热裂解反应区的h与c的摩尔比值为2～3。

16、在本发明的具体实施方式中，所述乙炔和所述甲烷的气流方向相反；所述氢气的气流方向与所述乙炔和所述甲烷的气流方向呈夹角布置。进一步地，所述夹角为45°～60°。

17、本发明又一方面提供了一种实施上述任意一种所述炭黑的制备方法的设备，包括：裂解炉炉体，其内部形成有反应腔；

18、所述裂解炉炉体开设有与所述反应腔连通的两个喷嘴，所述裂解炉炉体形成有与所述两个喷嘴对应设置的炉头部；所述炉头部开设有至少一个与所述反应腔连通的气体导入管；

19、所述两个喷嘴包括第一喷嘴和第二喷嘴。

20、在本发明的具体实施方式中，包括两个所述气体导入管，两个所述气体导入管在所述炉头部的两侧相对设置。

21、在本发明的具体实施方式中，所述气体导入管的中轴线与所述炉头部的中轴线呈夹角设置。进一步地，所述夹角为30°～45°。

22、本发明又一方面提供了一种电极，包括上述任意一种所述的炭黑。

23、本发明又一方面提供了一种二次电池，包括正极、负极、电解质以及隔离膜；所述正极和所述负极中的至少一个为上述任意一种所述的电极。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、(1)本发明的炭黑在球体表面具有类石墨烯片凸起，同时具有炭黑和石墨烯的特性，可以在初级粒子之间或者与电极材料颗粒间形成点面接触，从而提高了导电率，能够明显提高浆料和电极的导电性；

26、(2)本发明的炭黑的制备方法，工艺简单，生产成本相对较低。

技术特征：

1.具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述炭黑的初级粒子的平均粒径为20～40nm；

2.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述类石墨烯片凸起为多层石墨烯；

3.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述类石墨烯片凸起中的任意两点之间距离的最大值为10～50nm。

4.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述炭黑为乙炔黑。

5.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述类石墨烯片凸起原位生长于所述球体表面。

6.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述炭黑的bet比表面积为65～180m2/g；dbp吸油值为235～375cm3/100g。

7.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述炭黑在激发波长为532nm的2d拉曼光谱满足如下特征中的至少一个：

8.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述炭黑的结晶度为42％～52％；

9.根据权利要求1所述的具有高导电性的炭黑，其特征在于，所述炭黑的粉末电阻率为0.13～0.206ω/cm。

10.权利要求1～9任一项所述的具有高导电性的炭黑的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述热裂解反应区的h与c的摩尔比值为2～3。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述乙炔和所述甲烷的气流方向相反；所述氢气的气流方向与所述乙炔和所述甲烷的气流方向呈夹角布置；

13.用于实施权利要求10～12任一项所述的制备方法的设备，其特征在于，包括：裂解炉炉体，其内部形成有反应腔；

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，包括两个所述气体导入管，两个所述气体导入管在所述炉头部的两侧相对设置。

15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述气体导入管的中轴线与所述炉头部的中轴线呈夹角设置；

16.一种电极，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的炭黑或权利要求10～12任一项所述的制备方法制得的炭黑。

17.一种二次电池，其特征在于，包括正极、负极、电解质以及隔离膜；所述正极和所述负极中的至少一个为权利要求16所述的电极。

技术总结
本发明涉及炭黑材料技术领域，尤其是涉及一种具有高导电性的炭黑及其制备方法、设备和电极、二次电池。具有高导电性的炭黑，所述炭黑的初级粒子的平均粒径为20～40nm；所述炭黑的初级粒子包括球体和位于所述球体表面的类石墨烯片凸起。本发明的炭黑在球体表面具有类石墨烯片凸起，同时具有炭黑和石墨烯的特性，可以在初级粒子之间或者与电极材料颗粒间形成点面接触，从而提高了导电率，能够明显提高浆料和电极的导电性。

技术研发人员：蒋志行,杨宁宁,雷金刚,孙恬恬,索荣,刘新生,贾水利,朱立才
受保护的技术使用者：焦作市和兴化学工业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17