中国粉体网讯 作为锂离子电池关键材料之一，负极材料对锂离子电池的最终性能起着至关重要的作用。2023年2月9-10日，由中国粉体网主办的“先进负极材料技术与产业高峰论坛”于山东青岛隆重召开。会议期间，针对各类负极材料的产业化技术与国内外市场状况，我们邀请到业内专家学者、优秀企业代表做客“对话”栏目，进行访谈交流。本期为您分享的人物专访是来自武汉理工大学的张凌燕教授。
张凌燕教授
石墨为什么要提纯？
众所周知，石墨的特殊性质使其能够在新能源、新材料方面大放异彩。在被问及石墨为什么要提纯时，张教授表示：石墨提纯是石墨材料制备的前提和基础，其纯度决定着石墨材料的使用性能和应用价值，即石墨中固定碳含量越高，石墨纯度越高，应用价值也就越高。
新能源领域对石墨的技术要求是碳含量要超过99.95以上。同时对其他的微量金属杂质含量，如铁、锰、铝、硅、镁、钙等，一般要求在5ppm以下。基于此，石墨必须提纯才能满足新能源领域应用的要求。这是指标之一，除此之外，还需要成球、振实密度控制在一定范围之内。
而在众多杂质中，张教授表示硅、铝是所有杂质中含量最高的，提纯难度也是最大的。硅与酸是不反应的，它只跟氢氟酸反应。但从酸法来讲，氢氟酸存在环保的问题，所以它的难度进一步加大。硅、铝会形成胶粒，形成细小的微粒，洗涤的过程中附着力强，也难以去除。
石墨提纯常用哪些方法？
在谈及目前石墨提纯常用方法时，张教授表示有四大类。其中最便捷、最成熟、最低成本的就是含氢氟酸的混酸法。氢氟酸可与石墨中绝大部分的杂质发生反应，它把不溶性的金属及硅酸盐变成可溶性的离子，进入溶液，通过洗涤排除掉，达到提纯的目的。
HF酸法提纯工艺流程图
第二种方法是碱酸法。碱酸法是先通过碱焙烧，再酸浸，完成与氢氟酸法同样的流程。两者提纯的高度不一样，氢氟酸提纯纯度可以达到4个9，但碱酸法通常只做到3个9。
第三种是氯气焙烧法。氯化焙烧法是将石墨和一定的还原剂（如焦炭）混在一起，在特定的设备和气氛下高温焙烧，物料中有价金属转变成气相或凝聚相的金属氯化物，而与其余组分分离，从而达到提纯石墨的目的。它对装备、环保要求特别高，因为氯气有毒、严重腐蚀性。
第四种就是高温法。高温焙烧法是利用石墨耐高温的性质，将其添加到特制石墨坩埚中进行高温焙烧，在惰性气体的保护下，利用高温提纯设备加热至3000℃。石墨中的硅酸盐杂质(沸点在2750℃以下）在高温下可以分解为简单的金属氧化物从石墨中气化溢出，从而实现除杂的目的。高温法也被广泛采用，但是能耗很高、成本高、周期长，若做到大产能也存在很多的问题，所以其使用也受到一定限制。
石墨提纯的主要研究方向有哪些？
对于石墨提纯的研究方向依据不同方法而有所差异。因为不同的提纯方法面临的问题不一样。
张教授表示氢氟酸有剧毒、严重污染环境。氢氟酸法面临的问题就是如何解决含氟固体废弃物、含氟废水的问题。工程中可尝试寻找环保无毒的试剂取代氢氟酸，从而实现石墨少氟甚至无氟提纯。
张教授在报告中也提到了混酸法。提纯原理与氢氟酸类似，主要采用HF/HCl、HF/H2SO4、HF/HCl/H2SO4等混酸体系。同时也列举了热活化结合混酸法提纯石墨的案例。
混酸法提纯工艺流程图
碱酸法面临的问题是通过什么样的辅助技术路径，使得石墨提纯达到3个9以上。改进碱酸法就是在传统碱酸法的基础上加压、添加助熔剂及微波等条件进行提纯的方法。
对于氯化焙烧法，其纯化石墨效果有限，且氯气有毒不利于健康和环保，对设备要求较高。可从设备、尾气处理等方面进行研究，力求使用无毒高温挥发剂取代氯气，研发低耗高效设备来生产高纯石墨。
张教授表示高温提纯法可从焙烧设备、优化原料成分等方面进行改进和优化，其主要研究方法包括：①改进石墨高温提纯设备，实现连续化生产。②通过不同加热方式降低能耗，如感应加热、红外加热、太阳能加热等。③引入反应气体提高工艺适应性，将高温法和化学法相结合，提高石墨纯度和产出投入比。
此外，能灵敏、快速、有效地检测高纯石墨的微量杂质元素，准确无误地反映石墨的纯度十分重要。
结语
张教授主要从事非金属矿选矿、超细矿物粉体的分级、新型矿物材料的开发等领域的基础及应用研究，重点研究石墨的选矿、提纯与深加工。在谈及近期研究成果时，张教授表示近几年也是着重加强石墨选矿研究，通过选矿来获得更高碳量，满足原料更高纯度的要求。另外，负极材料方面，张教授也在做成球方面的工作。正在开发新的、高效的设备以及生产线。目前已经跟中国五矿在合作，预计下半年投产。
（中国粉体网编辑整理/黑金）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
