高导电、高结构、高比表炭黑及其制备方法、设备和电极浆料、二次电池与流程

本发明涉及炭黑材料，尤其是涉及一种高导电、高结构、高比表炭黑及其制备方法、设备和电极浆料、二次电池。

背景技术：

1、炭黑在用于锂离子电池中可以起到导电、导热和功能性吸附作用。炭黑颗粒中聚集体的发达支链和空隙结构越多，对应的炭黑颗粒的结构越高。当高结构的炭黑颗粒用于电池电极中时，通过其发达链枝结构的互相架桥连接形成导电网络的能力更强，有助于降低炭黑自身电阻率，提高导电性能。另外，炭黑的粒径、表面活性、纯净度、结晶度也是影响炭黑自身导电性能的重要因素。然而，现有的炉黑，由于原材料的杂质不易除去而使产品的纯度并不理想，且结晶度低，降低了自身的导电性能，很难获得电阻低、且放电容量和循环特性优异的电池。

2、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高导电、高结构、高比表炭黑及其制备方法、设备和电极浆料、二次电池，本发明的炭黑具有优异的导电性，在用于电池时，可改善电池的放电容量和循环性能。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明一方面提供了高导电、高结构、高比表炭黑，所述炭黑的bet比表面积为50～725m2/g；且在对包含由98.14wt％的邻苯二甲酸二丁酯和1.86wt％的所述炭黑组成的炭黑分散液通过电阻测定仪测定时，所述炭黑分散液具有0.4～1.6ω·m的电阻率。

3、在本发明的具体实施方式中，在对包含由93wt％的磷酸铁锂、3wt％的聚偏二氟乙烯和4wt％的所述炭黑组成的膜片电极通过四探针法测量电阻率时，所述膜片电极具有4.1～7.68ω·cm的电阻率。

4、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的oan为230～527ml/100g。

5、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的coan为89～287ml/100g。

6、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的初级粒子的平均粒径为20～45nm。

7、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的微晶尺寸lc为

8、在本发明的具体实施方式中，所述炭黑的平均晶格间距d(002)≤0.3558nm，如为0.3485～0.3558nm。

9、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：

10、气态烃在含等离子体且隔绝空气的环境中，在微波等离子体发生器的作用下，进行热裂解反应形成炭黑；

11、所述气态烃包括乙炔，以及气态烯烃和气态炔烃中的至少一种的混合气体。

12、在本发明的具体实施方式中，所述气态烯烃包括乙烯、丙烯和丁二烯中的至少一种；所述气态芳烃包括甲苯和苯中的至少一种。

13、在本发明的具体实施方式中，所述乙炔的流量与所述气态烯烃和所述气态芳烃的流量之和的比值≥6。进一步地，所述乙炔的流量与所述气态烯烃和所述气态芳烃的流量之和的比值为6～10。

14、在本发明的具体实施方式中，所述热裂解反应过程中，控制等离子体反应区的温度为3000～3500℃。

15、在本发明的具体实施方式中，还包括：在热裂解反应区的末段通入冷却气体使热裂解反应形成的炭黑冷却，终止反应。进一步地，所述冷却气体包括氢气、氮气及氩气中的至少一种。

16、在本发明的具体实施方式中，还包括：在所述热裂解反应后的冷却阶段，引入活化气体对所述炭黑进行活化刻蚀和冷却。进一步地，所述冷却阶段的温度为900～1100℃。

17、在本发明的具体实施方式中，所述活化气体包括二氧化氮、二氧化碳、一氧化碳、氧气、臭氧和水蒸气中的至少一种。

18、在本发明的具体实施方式中，所述气态烃与生成所述等离子体的介质气体的流量比为(4.4～13.5)﹕1。进一步地，所述生成所述等离子体的介质气体包括氢气、氮气及氩气中的至少一种。

19、在本发明的具体实施方式中，所述气态烃的气流方向与生成所述等离子体的介质气体的气流方向呈夹角布置。进一步地，所述夹角为30°～45°。

20、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；以及，微波等离子体发生器；

21、所述裂解炉炉体形成炉头部和冷却部，所述炉头部的出口与所述冷却部的入口相连接；所述炉头部开设有与所述反应腔连通的两个喷嘴以及至少一个与所述反应腔连通的第一气体导入管；

22、所述微波等离子体发生器与所述第一气体导入管对应设置，以在所述反应腔内产生等离子体。

23、在本发明的具体实施方式中，还包括至少一个与所述反应腔连通的第二气体导入管；所述第二气体导入管开设于所述炉头部并靠近所述炉头部的出口。进一步地，包括两个所述第二气体导入管，两个所述第二气体导入管在所述炉头部的两侧相对设置。

24、在本发明的具体实施方式中，还包括至少一个与所述反应腔连通的第三气体导入管；所述第三气体导入管开设于所述冷却部。进一步地，包括两个所述第三气体导入管，两个所述第三气体导入管在所述冷却部的两侧相对设置且靠近出料口。

25、本发明又一方面提供了一种电极浆料，包括上述任意一种所述的炭黑。

26、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由上述任意一种所述的电极浆料制得。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

28、(1)本发明的炭黑具有丰富的导电链状结构以及较高的结晶度，进而使得本发明的炭黑具有优异的本征电导率，在用于二次电池时，能够显著改善电池的放电容量和循环性能；

29、(2)本发明的炭黑的制备方法，操作简便，重复性好，适于大规模生产。

技术特征：

1.高导电、高结构、高比表炭黑，其特征在于，所述炭黑的bet比表面积为50～725m2/g；且在对包含由98.14wt％的邻苯二甲酸二丁酯和1.86wt％的所述炭黑组成的炭黑分散液通过电阻测定仪测定时，所述炭黑分散液具有0.4～1.6ω·m的电阻率。

2.根据权利要求1所述的高导电、高结构、高比表炭黑，其特征在于，在对包含由93wt％的磷酸铁锂、3wt％的聚偏二氟乙烯和4wt％的所述炭黑组成的膜片电极通过四探针法测量电阻率时，所述膜片电极具有4.1～7.68ω·cm的电阻率。

3.根据权利要求1所述的高导电、高结构、高比表炭黑，其特征在于，满足如下特征中的至少一个：

4.根据权利要求1所述的高导电、高结构、高比表炭黑，其特征在于，满足如下特征中的至少一个：

5.权利要求1～4任一项所述的高导电、高结构、高比表炭黑的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述气态烯烃包括乙烯、丙烯和丁二烯中的至少一种；所述气态芳烃包括甲苯和苯中的至少一种；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热裂解反应过程中，控制等离子体反应区的温度为3000～3500℃；

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括：在热裂解反应区的末段通入冷却气体使热裂解反应形成的炭黑冷却，终止反应；

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括：在所述热裂解反应后的冷却阶段，引入活化气体对所述炭黑进行活化刻蚀和冷却；

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述气态烃的气流方向与生成所述等离子体的介质气体的气流方向呈夹角布置；

11.用于实施权利要求5～10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；以及，微波等离子体发生器；

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括至少一个与所述反应腔连通的第二气体导入管；所述第二气体导入管开设于所述炉头部并靠近所述炉头部的出口；

13.一种电极浆料，其特征在于，包括权利要求1～4任一项所述的高导电、高结构、高比表炭黑或权利要求5～10任一项所述的制备方法制得的高导电、高结构、高比表炭黑。

14.一种二次电池，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由权利要求13所述的电极浆料制得。

技术总结
本发明涉及炭黑材料技术领域，尤其是涉及一种高导电、高结构、高比表炭黑及其制备方法、设备和电极浆料、二次电池。高导电、高结构、高比表炭黑，所述炭黑的BET比表面积为50～725m<supgt;2</supgt;/g；且在对包含由98.14wt％的邻苯二甲酸二丁酯和1.86wt％的所述炭黑组成的炭黑分散液通过电阻测定仪测定时，所述炭黑分散液具有0.4～1.6Ω·m的电阻率。本发明的炭黑具有丰富的导电链状结构以及较高的结晶度，进而使得本发明的炭黑具有优异的本征电导率，在用于二次电池时，能够显著改善电池的放电容量和循环性能。

技术研发人员：蒋志行,杨宁宁,杨海洋,孙恬恬,田培,秦瑞志,索荣,刘新生,贾水利
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：2024/7/29