一文了解中間相炭微球的3種制備方法

中間相炭微球（MCMB）是瀝青等重質(zhì)芳烴化合物熱縮聚生成的具有向列液晶層狀堆積結(jié)構(gòu)的微米級球形碳材料。相比天然石墨，MCMB比表面積大，碳層邊緣位置以及不規(guī)則的缺陷位置可以提供儲鋰空間，具有相對較高的比容量。MCMB具有優(yōu)異的導電性、高循環(huán)穩(wěn)定性、良好的倍率性能等特點，是目前應用廣泛、綜合性能優(yōu)異的鋰離子電池負極材料。

中間相炭微球

（圖片來源：天津愛敏特電池材料有限公司）

中間相炭微球的制備方法主要有熱縮聚法、懸浮法和乳化法。

1、熱縮聚法

熱縮聚法分為兩個步驟，第一步是生成MCMB，稠環(huán)芳烴化合物在某一特定的反應條件下發(fā)生液相炭化反應生成MCMB；第二步是分離MCMB，采用適當?shù)姆蛛x方法將MCMB從母液中提取出來。

熱縮聚法制備MCMB流程

首次從瀝青母液中得到中間相小球體就采用熱縮聚法，將原料瀝青經(jīng)過熱縮聚反應得到中間相瀝青，再經(jīng)過分離得到中間相瀝青微球，在球體可以任意粗放型增長和聚結(jié)之前，通過預氧化和炭化過程就得到中間相炭微球。該方法工序簡單，條件易于控制，適合大量生產(chǎn)。但采用熱縮聚法得到的小球易融并，且尺寸分布寬，形狀和尺寸不均勻，收率低，根據(jù)中間相小球和瀝青母體對溶劑不同的溶解度分離出的中間相炭微球，需要消耗大量溶劑。若通過保留體系中一次QI或添加外加劑而提高收率，則這些物質(zhì)又會影響中間相炭微球的最終性能。反應溫度、反應時間、升溫速率、攪拌速度、體系壓強等因素均影響中間相炭微球形貌、粒度分布、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)率和性能等，其中最主要的影響因素是溫度和時間。

2、懸浮法

懸浮法制備MCMB是指，將可溶性中間相瀝青溶于有機溶劑中，然后加入表面活性劑進行隔離分散，隨后將上述混合液分散至另一高沸點溶劑中形成懸浮液。為使組分在懸浮液中分散均勻，可按某一特定升溫速率升高體系溫度并伴隨持續(xù)攪拌，隨著體系溫度的升高，溶解中間相組分的溶劑揮發(fā)，析出的中間相組分重新結(jié)合形成中間相小球體。

懸浮法制備MCMB流程

待保溫一定時間后，體系自然冷卻至室溫，過濾出中間相小球體，隨后經(jīng)預氧化和炭化后得到中間相炭微球。與熱縮聚法以及乳化法相比，懸浮法所得MCMB間融并和結(jié)絮現(xiàn)象減少，還可以通過改變溫度和攪拌速度調(diào)控MCMB的粒徑分布。但是懸浮法也存在著過程繁瑣、原料要求高，后續(xù)需不熔化處理等問題，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

3、乳化法

乳化法制備MCMB可分為兩步，先將中間相瀝青粉碎形成中間相顆粒，也可以根據(jù)粒徑需要對中間相顆粒進行篩分，然后選取合適粒徑中間相顆粒加入到乳化液中，升高體系溫度，同時保持攪拌，使其形成球形中間相顆粒懸浮于乳化液中，后續(xù)同樣需要經(jīng)過冷卻、分離、預氧化和炭化等過程。

乳化法制備MCMB流程

乳化法制備的中間相炭微球縮聚程度高、粒徑分布均勻可控、球形圓滑、無雜質(zhì)、收率高。但是工序復雜，設備繁多，工藝條件難控制，不適合大規(guī)模量產(chǎn)，僅適用于高精端科研。有日本研究人員用軟化點為307℃左右的中間相瀝青為原料，充分研磨過篩后，用硅油作為溶劑，氮氣吹掃條件下用超聲波清洗器使之充分溶解，加熱攪拌形成乳狀液，當溫度達到中間相瀝青的軟化點以上時，中間相瀝青在表面張力的作用下乳化成球體形成懸浮液。冷卻到室溫，離心機把中間相炭微球從熱穩(wěn)定介質(zhì)中分離出來。再經(jīng)苯洗滌，干燥后即得中間相炭微球。通過控制原料中間相瀝青顆粒的尺寸分布，可得到球徑符合尺寸要求的中間相炭微球。乳化法的主要影響因素有乳化時間、處理溫度、原料的性質(zhì)及原料和熱穩(wěn)定介質(zhì)的粘度和界面張力等。一般來說，要獲得球形度好的顆粒，若溫度稍低則乳化時間就應相應長一些。而隨著溫度升高和乳化時間的延長，中間相炭微球的收率下降。

參考來源：

1、成鵬等.中間相炭微球制備及應用概述

2、于銀萍等.中間相炭微球的研究進展

3、呂家賀.中間相炭微球基負極材料設計及儲鋰性能研究

4、杜俊濤等.中間相炭微球在鋰離子電池負極材料的應用進展

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