天然石墨與人造石墨的區(qū)別 一、石墨的晶體結(jié)構(gòu) 石墨是由單一碳元素組成的物質(zhì),晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系,呈六邊形層狀結(jié)構(gòu)。層面上碳原子以sp2雜化軌道形成的σ鍵和Pz軌道形成的離域π鍵相結(jié)合,形成牢固的六角形網(wǎng)格狀平面,碳-碳原子間距為1.42?,碳原子間具有極強(qiáng)的鍵能(345KJ/mol),而碳原子平面之間則以較弱的范德華力結(jié)合(鍵能為16.7KJ/mol),層面間距為3.354?。 天然石墨和合成石墨的組成可能因來源和合成方法/條件而異,但兩者都主要由2H相組成,其3R相含量為0-30%。由于布拉格反射,2H/3R相組成可以通過粉末衍射(中子或X射線)確定,并通過結(jié)構(gòu)建模量化。值得注意的是,石墨的層狀性質(zhì)可以產(chǎn)生高度的擇優(yōu)取向,這會影響所獲得的衍射圖中的相對峰強(qiáng)度。此外,多晶石墨可能會表現(xiàn)出大量的微觀結(jié)構(gòu)缺陷(堆垛層錯、點(diǎn)缺陷、位錯等),這會使衍射峰的輪廓變寬。 二、人造石墨和天然石墨的特點(diǎn) 人造石墨: 人造石墨類似于結(jié)晶學(xué)中的多晶體。人造石墨種類繁多,生產(chǎn)工藝千差萬別。廣義上,一切通過有機(jī)物炭化再經(jīng)石墨化?高溫處理后得到的石墨材料均可統(tǒng)稱為人造石墨,如炭(石墨)纖維、熱解炭(石墨)、泡沫石墨等。 而狹義上的人造石墨通常是指以雜質(zhì)含量較低的炭質(zhì)原料(石油焦、瀝青焦等)為骨料、煤瀝青等為粘結(jié)劑,經(jīng)過配料、混捏、成型、炭化(工業(yè)上稱為焙燒)和石墨化等工序制得的塊狀固體材料,如石墨電極、等靜壓石墨等。 天然石墨: 天然石墨是富碳有機(jī)物在高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境長期作用下轉(zhuǎn)變而成的,是大自然的恩賜。天然石墨的工藝特性主要決定于它的結(jié)晶形態(tài)。天然石墨的種類較多,根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同,工業(yè)上將天然石墨分為致密結(jié)晶狀石墨、鱗片石墨和隱晶質(zhì)石墨三類。我國主要有鱗片石墨和隱晶質(zhì)石墨兩大類。 致密結(jié)晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結(jié)晶明顯,晶體肉眼可見。顆粒直徑大于0.1毫米。晶體排列雜亂無章,呈致密塊狀構(gòu)造。品位很高,一般碳含量為60%~65%,有時達(dá)80%~98%,但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨。 天然鱗片石墨屬于結(jié)晶學(xué)中的偉晶,是一種單晶體,因其晶體呈鱗片狀而得名,有大鱗片和細(xì)鱗片之分。這種石墨的潤滑性、可塑性均優(yōu)于其他類型石墨,因此它的工業(yè)價值最大。鱗片石墨礦石的品位雖然不高,碳含量一般在3%~25%之間,但卻是自然界中可浮性最好的礦石之一,經(jīng)過多磨多選可得高品位的石墨精礦。 隱晶質(zhì)石墨又稱非晶質(zhì)石墨或土狀石墨,近年來稱為微晶石墨。這種石墨的晶體直徑一般小于1微米,只有在電子顯微鏡下才能見到晶形,可看作石墨晶體的集合體。 天然微晶石墨通常是煤在高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境下轉(zhuǎn)化而成的,因此天然微晶石墨通常與煤伴生,在天然微晶石墨礦體中經(jīng)常可以看到從無煙煤到天然微晶石墨的過渡區(qū)域。此類石墨的特點(diǎn)是表面呈土狀,缺乏光澤,潤滑性低于鱗片石墨且可選性較差。但品位較高,碳含量一般為60%~80%,少數(shù)高達(dá)90%以上。 三、人造石墨和天然石墨的區(qū)別和聯(lián)系 制備方法和性能對比 天然石墨成本低、比容量和壓實(shí)密度高,人造石墨在長循環(huán)、高溫、高倍率上有優(yōu)勢。 成本:天然石墨一般無石墨化工序,成本更低。從二者生產(chǎn)流程來看,人造石墨需要進(jìn)行石墨化工序,且高端產(chǎn)品需進(jìn)行炭化,用電能耗比和碳排放較大,故人造生產(chǎn)成本高于天然石墨。 能量密度:天然石墨更有優(yōu)勢,但人造在逐漸逼近。核心指標(biāo)看克容量(天然在355-370mAh/g,人造在280-365mAh/g)、壓實(shí)密度(天然在1.6-1.8g/cc,人造在?1.4-1.7g/cc)、首次充放電效率(天然在?95%以上,人造在?92%以上)。 其他性能:天然石墨具有規(guī)則的層狀結(jié)構(gòu),鋰離子在嵌入時速度十分緩慢,且由于材料各向異性較高,極易導(dǎo)致活性物質(zhì)與集流體接觸不充分,從而造成天然石墨倍率性能較差,但目前也在運(yùn)用各種改性工序改進(jìn)。 晶體和組織結(jié)構(gòu) 天然石墨的晶體發(fā)育較完善,天然鱗片石墨的石墨化度通常在98%以上,而天然微晶石墨的石墨化度通常在93%以下。人造石墨的晶體發(fā)育程度取決于原材料及熱處理溫度,一般來說,熱處理溫度越高,其石墨化程度也越高。目前工業(yè)生產(chǎn)的人造石墨,其石墨化程度通常低于90%。 天然鱗片石墨是一種單晶體,組織結(jié)構(gòu)較簡單,僅存在結(jié)晶學(xué)上的缺陷(點(diǎn)缺陷、位錯、層錯等),宏觀上表現(xiàn)出各向異性的結(jié)構(gòu)特征。天然微晶石墨的晶粒較小,晶粒之間雜亂排列且存在雜質(zhì)脫除后的孔洞,宏觀上表現(xiàn)出各向同性的結(jié)構(gòu)特征。人造石墨可看作是一種多相材料,包括石油焦或?yàn)r青焦等炭質(zhì)顆?粒轉(zhuǎn)化的石墨相、包覆在顆粒周圍的煤瀝青粘結(jié)劑轉(zhuǎn)化的石墨相、顆粒堆積或煤瀝青粘結(jié)劑經(jīng)熱處理后形成的氣孔等。 物理性質(zhì)和物理形態(tài) 天然石墨通常以粉體形態(tài)存在,可以單獨(dú)使用,但通常與其它材料復(fù)合后使用。人造石墨的形態(tài)較多,既有粉狀,也有纖維狀和塊狀,而狹義的人造石墨通常為塊狀,使用時需加工成一定形狀。 天然石墨與人造石墨既有共性,也存在性能上的差異。如天然石墨與人造石墨都是熱和電的良導(dǎo)體,但對于相同純度和粒度的石墨粉體來說,天然鱗片石墨的傳熱性能和導(dǎo)電性能最好、天然微晶石墨次之,人造石墨最低。石墨具有的較好的潤滑性和一定的可塑性,天然鱗片石墨的晶體發(fā)育較完善,摩擦系數(shù)較小,潤滑性最好,可塑性最高,而致密結(jié)晶狀石墨和隱晶質(zhì)石墨次之,人造石墨較差。 在線留言 產(chǎn)品介紹 分享到: 相關(guān)產(chǎn)品 六工石墨的5月總結(jié) 石墨的比熱容介紹 石墨坩堝:深入了解其特性、應(yīng)用與保養(yǎng) 石墨粉:黑金之魅,探索無盡的可能 石墨電極:從基礎(chǔ)到應(yīng)用 石墨氈:古老材料的新篇章