中国发现和利用天然石墨的历史悠久。古籍中曾有不少关于石墨的记载。如《水经注》载“洛水侧有石墨山。山石尽黑,可以书疏,故以石墨名山矣。”从考古挖掘出来的甲骨、玉片、陶片发现,早在3000多年前商代就有用石墨书写的文字,一直延续至东汉末年(公元220年),石墨作为书墨才被松烟制墨所取代。清朝道光年间(公元1821~1850年),湖南郴州农民开采石墨做燃料,称之为“油碳”。
石墨可分为天然石墨与人造石墨,二者结构相近,物理化学性质相似,但用途却有着较大差别。众多研究中,某些研究者没有注意到两者的区别而笼统地称之为石墨。这种将二者混为一谈的结果造成了很多的误导,甚至是决策的错误,带来很大的资源浪费和经济损失。本文就从天然石墨与人造石墨结构组成、性能的角度出发,谈谈两者的特点与区别,以及重要联系与应用进展。
天然石墨:晶体发育较为完善,鳞片石墨的石墨化程度更在98%以上,而天然微晶石墨的石墨化程度通常在93%以下。
人造石墨具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点,在化学工业中广泛用于制作热交换器、反应槽、吸收塔、过滤器等设备。天然石墨与高分子树脂复合材料也可用于上述领域,但导热性、耐腐蚀性不如人造石墨。
天然石墨球形化主要是以天然石墨为原料,通过对天然石墨表面进行整形处理,从而得到球状或者类球状的石墨颗粒。这类方法原料成本较低,工艺相对简单,使得球形石墨的生产能够实现大规模的产业化。天然石墨球形化的关键在于球形化设备,选择合适的球形化设备会提高球形化石墨的产出率和各项性能指标,因此石墨球形化设备是目前国内外机械设备领域的研究热点之一。但由于国内外球形化设备生产厂商技术保密等原因,目前对该类设备的公开报道较少。本文综合论述了天然石墨球形化的机理,简要介绍和分析探讨了几类常用的天然石墨球形化设备的应用现状,并在此基础上对石墨球形化设备的发展进行了展望。
天然石墨分为鳞片石墨和土状石墨,鳞片石墨在锂电池中库仑效率可达90%~93%、可逆容量为 340~370mAh/g,因此是主流的负极材料;但是,天然石墨具有规则的层状结构,锂离子在嵌入时速度十分缓慢,且由于材料各向异性较高,极易导致活性物质与集流体接触不充分,从而造成天然石墨倍率性能较差。