廢匣缽粉加入量對堇青石-莫來石質耐火材料性能的影響

劉鵬程 張 偉 錢 凡

中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司先進耐火材料國家重點實驗室 河南洛陽 471039

鋰電池是一種新型綠色高能電池，具有工作電壓高，導電率高，較好的穩定結構，比能量大，循環壽命長等優點，目前廣泛應用于通訊、軍事、信息以及電動汽車等領域［1］。鋰離子正極材料的發展也十分迅速。目前由于高溫、急冷急熱以及正極材料中的LiCO3、LiOH等堿性物質對鋰電池正極材料用匣缽的侵蝕，會導致匣缽材料剝落而損毀，嚴重影響了匣缽的使用壽命。匣缽報廢的主要原因為開裂、起皮，每年會產生數以百萬計的廢匣缽粉；同時，用后的匣缽難以回收利用，導致了環境污染與資源浪費［2-6］。因此，對廢匣缽粉的回收利用的可行性研究，也是踐行可持續發展的科學理念。

本工作中，研究了廢匣缽粉添加量對莫來石-堇青石質匣缽材料性能的影響，為用后匣缽的回收處理提供一定參考。

1 試驗

1.1 原料

試驗原料有：粒度1.25～0.5 mm的堇青石顆粒，粒度2～1、≤1 mm的M70莫來石顆粒，粒度≤0.5 mm的電熔尖晶石顆粒，≤0.044 mm的電熔尖晶石細粉，粒度≤0.044 mm的廢匣缽細粉，活性α-Al2O3微粉和廣西白泥；外加3%（w）的紙漿廢液為結合劑。主要原料的化學組成見表1。

表1 主要原料的化學組成

1.2 試樣制備

使用切割設備及粗砂紙將廢匣缽表面殘余的LiCoO2、LiO2、Li（NiCoMn）O2去除，然后依次用鄂式破碎機、對輥破碎機和振動磨將其磨細至0.044 mm后，按照加入量（w）0、4%、8%、12%進行配料。試驗配方如表2所示。

表2 試驗配方

按照表2配料。將骨料加入混碾機中與紙漿廢液攪拌3 min，再加入細粉混練15 min。將混好的泥料裝入塑料袋密封困料24 h，然后用液壓機制成φ50 mm×50 mm和φ85 mm×15 mm的坯體。坯體經110℃干燥24 h后，分別在1 320、1 350和1 380℃保溫3 h燒后自然冷卻。

1.3 性能檢測

分別依據GB/T 5988—2007、GB/T 2997—2015和GB/T 5072—2008檢測1 320、1 350和1 380℃熱處理后試樣的線變化率、顯氣孔率、體積密度和常溫耐壓強度。采用掃描電子顯微鏡觀察1 380℃熱處理后試樣的顯微結構。

2 結果與分析

2.1 廢匣缽粉加入量對試樣燒后線收縮率的影響

圖1給出了廢匣缽粉加入量對試樣燒后線收縮率的影響。

圖1 廢匣缽粉加入量對試樣燒后線收縮率的影響

從圖1可以看出：隨著廢舊匣缽粉加入量的增多，試樣的線收縮率逐漸增大。相同添加量時，基本都是熱處理溫度越高，線收縮率也越大。這是因為廢舊匣缽中存在較多的低熔點物質，隨其添加量的增多，試樣內部產生更多的玻璃相，因而試樣的收縮也越大。

2.2 廢匣缽粉加入量對試樣顯氣孔率和體積密度的影響

圖2給出了廢匣缽粉添加量對試樣顯氣孔率和體積密度的影響。

圖2 廢匣缽粉加入量對試樣顯氣孔率和體積密度的影響

從圖2可以看出，隨著試樣中廢匣缽粉含量的增加，試樣顯氣孔率和體積密度并沒有明顯的變化。

2.3 廢匣缽粉加入量對試樣常溫耐壓強度的影響

圖3給出了廢匣缽粉添加量對試樣常溫耐壓強度的影響。

圖3 廢匣缽粉加入量對試樣常溫耐壓強度的影響

從圖3可以看出，隨著試樣中廢匣缽粉含量的增加，試樣的常溫耐壓強度呈明顯下降的趨勢。這是因為試樣中廢匣缽粉量增加，低熔點物質越來越多，導致強度下降。廢匣缽粉添加量相同時，隨著熱處理溫度的升高，試樣的強度先下降后增加。這是因為當試樣熱處理溫度升高時，產生一定的液相量導致強度下降；而隨著溫度的進一步升高，試樣會有過燒瓷化，從而使試樣強度相對增加。

綜合來看：試樣中廢匣缽粉的量不宜過多，過多會嚴重影響試樣的強度。廢匣缽粉加入量（w）在4%～8%較為適宜。

2.4 顯微結構

經1 380℃熱處理后，廢匣缽粉加入量（w）為0和8%的試樣的顯微結構照片如圖4所示。

圖4 廢匣缽粉不同添加量試樣的顯微結構照片

從圖4可以看出，相比于不加廢匣缽粉的試樣，添加8%（w）的試樣內部結構明顯更加疏松、多孔，孔徑相對較大，這也導致了試樣的強度略微下降。

3 結論

（1）隨著廢匣缽粉添加量的增加，試樣的體積密度和顯氣孔率變化較小，強度略有下降。綜合來看添加4%～8%（w）的廢匣缽粉對堇青石-莫來石質匣缽試樣的影響較小，試樣的性能可以滿足最低使用要求。

（2）添加廢匣缽粉試樣的內部結構變得更加疏松，氣孔孔徑較大。因此，廢匣缽粉的添加量不宜過多，以免影響試樣的綜合性能。