廢匣缽粉加入量對(duì)堇青石-莫來(lái)石質(zhì)耐火材料性能的影響

劉鵬程 張 偉 錢 凡

中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司先進(jìn)耐火材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

鋰電池是一種新型綠色高能電池，具有工作電壓高，導(dǎo)電率高，較好的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，比能量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于通訊、軍事、信息以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域［1］。鋰離子正極材料的發(fā)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(zhì)對(duì)鋰電池正極材料用匣缽的侵蝕，會(huì)導(dǎo)致匣缽材料剝落而損毀，嚴(yán)重影響了匣缽的使用壽命。匣缽報(bào)廢的主要原因?yàn)殚_裂、起皮，每年會(huì)產(chǎn)生數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的廢匣缽粉；同時(shí)，用后的匣缽難以回收利用，導(dǎo)致了環(huán)境污染與資源浪費(fèi)［2-6］。因此，對(duì)廢匣缽粉的回收利用的可行性研究，也是踐行可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)理念。

本工作中，研究了廢匣缽粉添加量對(duì)莫來(lái)石-堇青石質(zhì)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(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)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(lái)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(xì)粉，粒度≤0.044 mm的廢匣缽細(xì)粉，活性α-Al2O3微粉和廣西白泥；外加3%（w）的紙漿廢液為結(jié)合劑。主要原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 主要原料的化學(xué)組成

1.2 試樣制備

使用切割設(shè)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(jī)、對(duì)輥破碎機(jī)和振動(dòng)磨將其磨細(xì)至0.044 mm后，按照加入量（w）0、4%、8%、12%進(jìn)行配料。試驗(yàn)配方如表2所示。

表2 試驗(yàn)配方

按照表2配料。將骨料加入混碾機(jī)中與紙漿廢液攪拌3 min，再加入細(xì)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(jī)制成φ50 mm×50 mm和φ85 mm×15 mm的坯體。坯體經(jīng)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(cè)

分別依據(jù)GB/T 5988—2007、GB/T 2997—2015和GB/T 5072—2008檢測(cè)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(qiáng)度。采用掃描電子顯微鏡觀察1 380℃熱處理后試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢匣缽粉加入量對(duì)試樣燒后線收縮率的影響

圖1給出了廢匣缽粉加入量對(duì)試樣燒后線收縮率的影響。

圖1 廢匣缽粉加入量對(duì)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(shí)，基本都是熱處理溫度越高，線收縮率也越大。這是因?yàn)閺U舊匣缽中存在較多的低熔點(diǎn)物質(zhì)，隨其添加量的增多，試樣內(nèi)部產(chǎn)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(duì)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(duì)試樣顯氣孔率和體積密度的影響。

圖2 廢匣缽粉加入量對(duì)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(méi)有明顯的變化。

2.3 廢匣缽粉加入量對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)度的影響

圖3給出了廢匣缽粉添加量對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)度的影響。

圖3 廢匣缽粉加入量對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)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(qiáng)度呈明顯下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵嚇又袕U匣缽粉量增加，低熔點(diǎn)物質(zhì)越來(lái)越多，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。廢匣缽粉添加量相同時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，試樣的強(qiáng)度先下降后增加。這是因?yàn)楫?dāng)試樣熱處理溫度升高時(shí)，產(chǎn)生一定的液相量導(dǎo)致強(qiáng)度下降；而隨著溫度的進(jìn)一步升高，試樣會(huì)有過(guò)燒瓷化，從而使試樣強(qiáng)度相對(duì)增加。

綜合來(lái)看：試樣中廢匣缽粉的量不宜過(guò)多，過(guò)多會(huì)嚴(yán)重影響試樣的強(qiáng)度。廢匣缽粉加入量（w）在4%～8%較為適宜。

2.4 顯微結(jié)構(gòu)

經(jīng)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(jié)構(gòu)照片如圖4所示。

圖4 廢匣缽粉不同添加量試樣的顯微結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)明顯更加疏松、多孔，孔徑相對(duì)較大，這也導(dǎo)致了試樣的強(qiáng)度略微下降。

3 結(jié)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(qiáng)度略有下降。綜合來(lái)看添加4%～8%（w）的廢匣缽粉對(duì)堇青石-莫來(lái)石質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guò)多，以免影響試樣的綜合性能。