中国粉体网讯 如今新能源汽车行业的迅猛发展，导致对于针状焦的需求猛增。国内原材料资源丰富，但是因为针状焦起步晚，国内针状焦生产工艺和技术相对日美等国家仍存在较大差距，使得国产针状焦通常在热膨胀系数、空隙度、粒度方面低于进口针状焦。国内产能利用率低，大大削弱了国产针状焦的市场竞争力和产品附加值，更促使了我国因针状焦下游产业应用对优质针状焦存在高度依赖于进口的状态。优质针状焦不仅价格昂贵，还被列为战略物资，其核心工艺受到严密封锁，至今仍仅掌握在美国、日本等少数国家，优质针状焦的工艺探索任重道远。
什么是针状焦？
针状焦是一种高性能碳素原料，有金属光泽，颜色呈银灰色，表面纹理呈纤维状或细长针形，有滑腻触感，内部有少量大孔，一般为椭圆形。针状焦是大分子多环缩合芳香烃的分子组成，芳香层面平面排列，类石墨状微晶结构，单元取向度高，微观结构具有Franklin模型，是典型的易石墨化碳，也是一种制备多孔碳的理想材料，加热到2000℃以上易形成石墨层状结构。因其具有良好的导电、导热、热膨胀系数低和抗热震性能，在炼钢石墨电极、航空航天等领域有着极其广泛的用途，已成为近年来国内外材料领域研究的热点和重点。
图片来源：益大新材
针状焦根据原料来源不同可划分为煤系针状焦和石油系针状焦。煤系针状焦由煤焦油、煤焦油沥青或闪蒸油等原料经过高温炭化生产；石油系针状焦由乙烯焦油、减压和热裂化渣油、催化裂化油浆等原料经过高温炭化生产。由于其硫含量低、灰分低、金属含量低和易石墨化等优点，目前成为了人造石墨的主要原料，但其生产成本较高，且对原料的要求较高。
针状焦的制备
针状焦的制备是通过液相炭化技术，将焦化原料逐渐热解和缩聚形成中间相小球。中间相小球再经充分长大、融并、定向，最后炭化成流线型结构的针状焦。针状焦生产工艺包括原料预处理、延迟焦化和煅烧三个过程。
延迟焦化工艺是成焦的主要阶段，分为分馏和炭化两个步骤，炭化精制沥青，裂解缩合成生焦。煅烧是为了排除针状焦含有的挥发分和水分等杂质，提高真密度。
煤系针状焦相比油系针状焦，其更多，生产工艺上预处理更加严苛，两者总体上在结构或物化性质上差异不大，用途也没有明显差异。但是由于油系针状焦生产成本更低，制备工艺更成熟，目前市场上油系针状焦产能高于煤系针状焦。
针状焦的石墨化需要经过破碎、研磨、纯化、热处理，以及表面改性等过程，这与煤炭的石墨化工艺有很多地方存在共性。
针状焦作为易石墨化的软碳具有电导率高、成本低和灰分杂质少等优点，但是针状焦理论比容量不高，物联网时代对于能量密度高、快充性好和安全性高的锂离子电池需求越来越强烈，并且成熟的商业化的针状焦负极材料都是将针状焦进行高温石墨化处理，使之成为人造石墨再应用于锂电负极，改性手段单一，耗能大。
无数研究者采用不同的制造工艺能够影响负极材料的倍率性能、循环寿命、首次效率与压实密度等性能。在实验室探索针状焦基锂离子电池负极材料的研究主要集中在针状焦改性、复合其他材料等方法，以达到提高针状焦比容量，更进一步降低成本的目的。
针状焦在不同领域中的应用
针状焦用途主要分为三类：高功率电极、特种碳素材料和锂离子电池负极材料。经由针状焦制造的高功率石墨电极可用于电炉炼钢，电炉炼钢具有污染程度低、能耗少等优点，在炼钢企业中迅速推广开来。针状焦制造的高功率石墨电极具有热膨胀系数小、电导率高和机械强度高等优点，在电弧炉中能高效加热熔融金属。作为负极材料，针状焦作为软碳具有易石墨化、成本低等优点，经高温热处理制备成人造石墨具有较好的循环稳定性和高比容量。
针状焦在石墨电极中的应用
石墨电极主要用于电炉炼钢、矿热电炉、电阻炉等领域。其中，由于电炉炼钢相比高炉炼钢更加环保，近年来各国政策都在向电炉炼钢行业倾斜。电炉钢规模不断扩大拉动了对石墨电极的需求。在中国，石墨电极总用量的70%~80%被用作电炉炼钢用石墨电极材料。石墨电极分为普通功率石墨电极、HP、UHP。从构成来说，普通功率石墨电极骨料均为石油焦；而在HP的骨料中，石油焦和针状焦所占比例分别为70%和30%；UHP的骨料中针状焦的比例为100%。
当前，电炉炼钢正不断向大型化、超高功率化的方向发展。因此，电炉炼钢对石墨电极的要求也越来越高。考虑到电炉用石墨电极最大允许电流与石墨电极的直径呈正相关，发展大直径的石墨电极势在必行。而制备大直径石墨电极需要高质量的针状焦。
针状焦在碱金属离子电池负极中的应用
当前，碱金属离子电池主要包括锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池。其中，锂离子电池在日常生活中得到了广泛应用，钠离子电池和钾离子电池作为补充替代能源装置得到了科研工作者的特别关注。
图片来源：亿纬锂能
对于碱金属离子电池，主要构成包括正极、负极、电解液、隔膜和电池壳等。其中，负极材料作为电池的重要组成之一，极大地影响了电池的整体性能。对于锂离子电池，商业负极材料主要包括人造石墨和天然石墨，其中，人造石墨占比高达80%。人造石墨按照原料的来源可分为油系焦和煤系焦。在油系焦中又可分为石油焦和针状焦。其中，针状焦制备的负极材料化学稳定性好、容量高以及导电性能良好，可用来生产高压实、高能量密度的电极材料。
针状焦在超级电容器中的应用
近年来，超级电容器作为一种兼具电容和电池特性的储能装置走进了人们的视野。具有比传统电容器更高的能量密度，比二次电池更高的功率密度，而且循环寿命比二次电池高出1个数量级以上。超级电容器可应用于各种车辆的起步、加速以及制动过程中的能量回收和释放。在大多数情况下，超级电容器与具有高能量密度的二次电池或燃料电池结合组成混合电源系统，可以满足新能源汽车对高充电速率、高比容量和高能量回收效率等参数的要求。
图片来源：中国中车
对于超级电容器，电极材料主要有3种类型，包括碳材料、导电聚合物和金属氧化物/氢氧化物。其中，碳材料由于具有较高的稳定性和优异的导电性，是电容器领域中研究和应用最多的材料，主要包括多孔活性碳、碳凝胶、碳纳米管等。对于多孔活性炭，由于具有高比表面积、高电导率和优异的循环稳定性等优势，引起了科研者的兴趣。值得注意的是针状焦是一种制备多孔碳的理想材料。制备得到的多孔针状焦具有三维网络结构，不仅可以提供大量的孔道，还可以提高电子的传输能力。
针状焦用于制备石墨烯
石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性，在材料学、能源和生物医学等方面具有广阔的应用前景。关于石墨烯的制备方法，主要包括机械剥离法、碳化硅上的外延生长、溶剂剥离法、化学剥离（氧化/还原）、化学气相沉积（CVD）等。 然而，上述大部分方法，比如机械剥离法和溶剂剥离法，通常只在实验室中使用，而CVD法制备过程相对复杂且成本较高。
图片来源：凯纳石墨烯
针状焦的石墨化程度较高，具有与天然石墨相似的层状结构，且比天然石墨含有更少的杂质，可以用来代替天然石墨制备石墨烯。此外，针状焦的层间距比天然石墨的更宽，表明其更容易制备大尺寸的石墨烯。目前，利用针状焦制备石墨烯的方法通常和天然石墨制备石墨烯的方法类似，主要也是氧化还原法。
针状焦用于光伏产业
染料敏化太阳电池结构示意图
图片来源：上海硅酸盐研究所
染料敏化太阳能电池作为一种新型光电转换装置正逐渐成为研究热点。染料敏化太阳能电池与传统的太阳能电池相比具有寿命长（15~20a）、易于大规模工业化生产、能源回收周期短、生产成本较低（仅为硅太阳能电池的1/10~1/5）、生产过程中无毒无污染等优势。近年来，研究者发现针状焦具有高的导电性、耐热性、耐腐蚀性和对于三碘化物的电催化活性，并且成本低廉，有望成为染料敏化太阳能电池的电极材料。
针状焦用于燃料电池
近年来，燃料电池作为一种零排放、无污染的新型能源装置走进了科研工作者的视野。燃料电池不是储能装置而是一种发电装置，工作原理是通过电化学氧化还原反应将燃料与氧化剂中的化学能转换成电能。燃料电池具有转换效率高、环保、寿命长等优势，在军事和民用领域具有潜在的应用价值。
图片来源：挺淳新能源
根据所用电解质和燃料的种类不同，燃料电池主要分为6大类，包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池。目前，研究热点主要集中在使用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池和使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池。其中，直接甲醇燃料电池具有较高的能量密度、较低的制造成本，以及使用方便等优点。但直接甲醇燃料电池也存在使用昂贵的铂催化剂及使用过程活性下降等问题。有研究表明，使用多孔碳负载可以改善上述问题，针状焦可以用来制备多孔碳，因此，可以用来制备金属/多孔碳阳极催化剂。
小结
中国针状焦产业正迎来关键发展期。随着新能源汽车、储能等下游需求激增，国产针状焦面临巨大市场机遇，但核心工艺仍受制于美日等国，高端产品依赖进口。当前，国内企业正加速技术攻关，推动煤系、油系针状焦的工艺优化和产能提升，以突破热膨胀系数、纯度等瓶颈。未来在政策支持与产业链协同下，中国针状焦国产化进程有望提速，未来或重塑全球供应链格局，助力新能源、冶金等产业自主可控。
参考来源：
郭新房.大规格超高功率石墨电极用针状焦的制备技术与应用研究进展
李超等.针状焦在不同领域中的应用
张梓慧.无烟煤和针状焦混合制备人造石墨及其电化学性能研究
（中国粉体网编辑整理/苏简）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
