تصنيف مواد الأنود وعملية الإنتاج

2025-03-26

تنقسم مواد الأنود بشكل رئيسي إلى فئتين: مواد الكربون ومواد غير الكربون. تشير الكربون إلى الأنظمة المعتمدة على الكربون، وتشمل بشكل رئيسي كريات الميسوكربون الدقيقة، الجرافيت الصناعي، الجرافيت الطبيعي والكربون الصلب. في الوقت الحاضر، تعتبر مواد الأنود المصنوعة من الجرافيت هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، حيث أن الجرافيت الصناعي والجرافيت الطبيعي لهما تطبيقات صناعية واسعة النطاق. تشمل مواد غير الكربون بشكل رئيسي المواد المعتمدة على السيليكون، المواد المعتمدة على القصدير، الليثيوم تيتانات، وما إلى ذلك. من بينها، تعتبر مواد الأنود المعتمدة على السيليكون هي الأهداف البحثية الرئيسية لمصنعي مواد الأنود الكبرى في الوقت الحالي، وهي واحدة من المواد الجديدة الأكثر احتمالًا للتطبيق على نطاق واسع في المستقبل.

عملية الجرافيت الطبيعي

يتم إعداد مادة الأنود من الجرافيت الطبيعي من الجرافيت الرقيق الطبيعي كمادة خام، بعد الطحن، التصنيف، التشكيل، التنقية، المعالجة السطحية وغيرها من العمليات.

عملية تحضير مادة الأنود من الجرافيت الصناعي

يمكن تقسيم عملية تصنيع الجرافيت الصناعي إلى أربع خطوات، وأكثر من عشرة إجراءات صغيرة، فيما تعتبر كل من التكتيل والتحويل إلى جرافيت هما المفتاح. يمكن تقسيم عملية إنتاج مادة الأنود الجرافيتية الصناعية إلى أربع خطوات: 1) المعالجة المبدئية 2) التكتيل 3) التحويل إلى جرافيت 4) الطحن الكروي والفرز. من بين هذه الخطوات الأربع، تعتبر عملية التكسير والفرز بسيطة نسبيًا، بينما التكتيل والتحويل إلى جرافيت هما الرابطان اللذان يعكسان العتبة التقنية ومستوى الإنتاج في صناعة الأنود.

بالنظر إلى عملية الإنتاج، أولاً، يتم خلط واحد أو أكثر من الكوك والجزيئات الناقلة، أنابيب الكربون النانوية، السواد الكربوني، السواد الأسيتيليني، ثم يتم تكثيف المادة الممزوجة مع الكربون وطلاؤها مرة واحدة، ويتم تحويل الجزيئات المعدة إلى جرافيت. المواد الجرافيتية ومواد الراتينج للطلاء الثانوي؛ معالجة سطحية باستخدام المذيب، والطرد المركزي، والترسيب وطرق أخرى لفصل الجزيئات الصلبة عن المذيب، ثم التكربن، جزيئات بحجم 5-20 ميكرون، للحصول على مادة أنود كربونية عالية النسبة. في هذه الطريقة، من خلال خلط وتصنيع الجزيئات، يتم طلاء الجزيئات مرتين لملء القشرة الداخلية للمادة، مما يؤدي إلى استقرار الهيكل الداخلي للمادة، مما يمنح مادة الأنود الكربونية مزايا الأداء العالي بمعدل، الضغط العالي، والسعة النوعية العالية، وما إلى ذلك.

（1）المعالجة المبدئية

يتم خلط المادة الخام الجرافيتية (الكوك الإبري أو الكوك النفطي) مع اللاصق لطحن الهواء (التكسير). وفقًا للمنتجات المختلفة، يتم خلط المواد الخام الجرافيتية واللاصق (التحويل إلى جرافيت) وفقًا لنسب مختلفة، نسبة الخلط تبلغ 100: (5~20)، يتم نقل المادة عبر آلة التغذية بالفراغ إلى القادوس، ثم يدخل القادوس إلى مطحنة تدفق الهواء لطحن الهواء، حيث تُطحن المواد الخام والإضافات بقطر 5~10 مم إلى 5-10 ميكرون. بعد طحن الهواء، يتم استخدام جهاز جمع الغبار بالطرد المركزي لجمع المواد بالحجم المطلوب، ويكون معدل جمع الغبار حوالي 80%، ويتم تصفية الغاز الناتج بواسطة فلتر أساسي وتصريفه، وكفاءة إزالة الغبار تزيد عن 99%. المواد المستخدمة في عنصر الفلتر هي قماش الفلتر ذو الثقوب الأقل من 0.2 ميكرون، والذي يمكنه اعتراض جميع الغبار الذي يزيد حجمه عن 0.2 ميكرون. نظام التحكم في المروحة في حالة ضغط سلبي.

الفرق: يتم تقسيم مطحنة المعالجة المسبقة إلى مطحنة ميكانيكية ومطحنة طائرات، والآن تعتبر مطحنة الطائرات هي السائدة. هناك المزيد من أنواع المواد اللاصقة، مثل قير البترول، قير الفحم، الراتنج الفينولي أو راتنج الإيبوكسي.

(2) التحبيب / التحبيب الثانوي

يعتبر التحبيب خطوة أساسية في معالجة الجرافيت الصناعي. يتم تقسيم التحبيب إلى عملية التفاعل الحراري وعملية الطحن الكروي.

عملية التفاعل الحراري: يتم وضع المادة الوسيطة 1 في المفاعل التفاعلي وتسخينها كهربائيًا حسب منحنى درجة حرارة معين في جو من الغاز الخامل وتحت ضغط معين. يتم خلطها عند 200-300 لمدة 1-3 ساعات ثم تسخينها إلى 400-500 للحصول على المادة بحجم جزيئات يتراوح بين 10-20 ملم. يتم تبريد المادة وتصريفها، وهي المادة الوسيطة 2. تقسيم العمل بين مطحنة الكرة والغربلة: التغذية بالفراغ، نقل المادة الوسيطة 2 إلى مطحنة الكرة لطحن الكرات الميكانيكي، وطحن المادة بحجم 10~20 ملم إلى مادة بحجم جزيئات 6~10 ميكرون، والغربلة للحصول على المادة الوسيطة 3. يتم نقل المادة الموجودة على الشاشة مرة أخرى إلى مطحنة الكرة عبر أنبوب فراغ لطحن الكرات.

يؤثر حجم الجزيئات وتوزيعها وشكلها على العديد من خصائص مواد الأنود. بشكل عام، كلما كان حجم الجسيمات أصغر، كانت الأداء السريع ومدة الدورة أفضل، ولكن كفاءة الشحن الأولية وكثافة الضغط (التي تؤثر على كثافة الطاقة الحجمية والسعة المحددة) تكون أسوأ، والعكس صحيح. يمكن أن يؤدي توزيع حجم الجسيمات المعقول (خلط الجزيئات الكبيرة مع الجزيئات الصغيرة، في العملية اللاحقة) إلى تحسين السعة المحددة للقطب السالب. كما أن شكل الجسيمات له تأثير كبير على الأداء السريع والأداء في درجات الحرارة المنخفضة.

التحبيب الثانوي: تمتلك الجسيمات الصغيرة مساحة سطح خاصة كبيرة، وقنوات أكثر، وطرق أقصر لهجرة أيونات الليثيوم، مما يمنحها أداء سريع جيد، بينما تتمتع الجسيمات الكبيرة بكثافة ضغط عالية وسعة كبيرة. كيف يمكن أخذ مزايا الجسيمات الكبيرة والصغيرة بعين الاعتبار، وتحقيق سعة عالية ومعدل عالٍ في نفس الوقت؟ الإجابة هي اتخاذ التحبيب الثانوي. باستخدام المادة الأساسية مثل قير البترول ذي الحبيبات الصغيرة وقير الإبرة، من خلال إضافة مواد الطلاء والمواد المضافة، تحت حالة من الخلط عند درجات حرارة عالية، عن طريق التحكم في نسبة المواد، ومنحنى ارتفاع الحرارة وسرعة الخلط، يمكن تحبيب المادة الأساسية ذات الحبيبات الصغيرة مرتين، والحصول على منتج بحجم حبيبات أكبر. بالمقارنة مع منتج بنفس حجم الجزيئات، يمكن للتحبيب الثانوي تحسين أداء احتباس السائل للمادة بشكل فعال وتقليل معامل التمدد للمادة (هناك ثقوب مقعرة بين الجزيئات الصغيرة والجزيئات الصغيرة)، وتقليل مسار انتشار أيونات الليثيوم، وتحسين الأداء السريع، ولكن أيضًا تحسين الأداء في درجات الحرارة العالية والمنخفضة وأداء الدورة للمادة.

الاختلافات: تمتلك عملية التحبيب الثانوي عوائق عالية، والعديد من أنواع مواد الطلاء والمواد المضافة، وتكون عرضة لمشاكل مثل الطلاء غير المتساوي أو تساقط الطلاء، أو ضعف تأثير الطلاء، إلخ. إنها عملية مهمة للجرافيت الصناعي عالي الجودة.

（3）تحويل إلى جرافين
يُعتبر تحويل الكربون إلى جرافين عملية منظمة لتحويل ذرات الكربون غير المستقرة ديناميكيًا من الهيكل الطبقي الفوضوي إلى هيكل بلوري جرافيتي بواسطة تنشيط حراري. لذلك، يتم استخدام المعالجة الحرارية عالية الحرارة (HTT) في عملية تحويل الجرافين لتوفير الطاقة لإعادة ترتيب الذرات والتحول الهيكلي. من أجل تحسين درجة تحويل الجرافين للمواد الكربونية المقاومة، يمكن أيضًا إضافة العوامل المساعدة.

للحصول على تأثير أفضل في تحويل الجرافين، يجب القيام بثلاثة جوانب: 1. إتقان طريقة تحميل المواد المقاومة والمواد إلى الفرن (تحميل أفقي، تحميل عمودي، تحميل مزاح ومختلط، إلخ)، ويمكن ضبط المسافة بين المواد وفقًا لأداء المواد المقاومة المختلفة؛ 2. وفقًا للطاقة المختلفة ومواصفات المنتج للفرن الجرافيني، يتم استخدام منحنى طاقة مختلف للتحكم في معدل الارتفاع والانخفاض في عملية تحويل الجرافين؛ 3. في ظروف معينة، يجب إضافة عامل مساعد إلى المكونات، لتحسين درجة تحويل الجرافين، أي "تحويل جرافيني محفز".

الفروقات: تختلف جودة الجرافين الصناعي في معدلات التسخين والتبريد، ومدة الاحتفاظ، والعوامل المساعدة، إلخ. من المتوقع أن الأنواع المستخدمة من أفران تحويل الجرافين مختلفة، مما يؤدي إلى فروقات كبيرة نسبيًا في الأداء والتكلفة. يتم فصل عملية تحويل الجرافين عن العمليات الأمامية والخلفية، وخاصة عملية التسخين والتبريد، وهي مبرمجة بشكل أساسي، لكن وقت التحويل طويل واستثمار المعدات كبير، لذا هناك حاجة إلى المزيد من معالجة التغليف، ولا يوجد خطر من تسرب التكنولوجيا.
الكربنة المطلية: تستخدم الكربنة المطلية مادة كربونية شبيهة بالجرافيت كـ"لب"، وتُغلف سطحها بطبقة من مادة كربونية غير متبلورة متجانسة لتكوين جزيئات تشبه بنية "اللب والقشرة". تشمل المواد الأولية المستخدمة في مواد الكربون غير المتبلور مواد كربونية حرارية منخفضة الحرارة، مثل راتنجات الفينول والقار وحمض الستريك. تكون المسافة بين طبقات الكربون غير المتبلور أكبر من تلك الموجودة في الجرافيت، مما يُحسّن أداء انتشار أيونات الليثيوم فيه. فيلم SEI، يُحسّن التأثير الأولي، ودورة الحياة، وما إلى ذلك.

الفروقات: تختار الشركات المصنعة المختلفة مواد سابقة وإجراءات تسخين مختلفة، مما يؤدي إلى اختلاف في سمك وانتظام طبقة الطلاء، وبالتالي ستختلف تكلفة المنتج والأداء أيضًا.

(4) الفرز/التلاعب
تُنقل المواد المحولة إلى الجرافين إلى مطحنة الكرات بواسطة الفراغ، ثم تخضع للخليط الفيزيائي وطحن الكرات. يتم فرزها باستخدام منخل جزيئي 270، ويتم فحص المادة تحت المنخل وقياسها وتعبئتها وتخزينها. تُطحن المادة الموجودة على المنخل بشكل إضافي لتلبية متطلبات حجم الجسيمات ثم تُنخل.

تعديل التلاعب. طريقة تعديل التلاعب أكثر مرونة والعناصر المضافة متنوعة. في الوقت الحالي، يقوم الباحثون بنشاط بدراسة هذه الطريقة. يمكن أن يؤدي تلاعب العناصر غير الكربونية في الجرافين إلى تغيير الحالة الإلكترونية للجرافين، مما يجعل من الأسهل الحصول على الإلكترونات، وبالتالي زيادة التداخل لأيونات الليثيوم بشكل أكبر. على سبيل المثال، ساعد التلاعب الناجح لذرات الفوسفور والبورون في سطح الجرافين وتكوين الروابط الكيميائية معها في تشكيل فيلم SEI كثيف، مما حسّن بشكل فعال متوسط عمر الدورة وأداء المعدل للجرافين. للتلاعب بعناصر مختلفة في مادة الجرافين تأثيرات تحسين مختلفة على أدائها الكهروكيميائي. من بينها، يساهم إضافة عناصر (Si، Sn) التي تمتلك أيضًا قدرة على تخزين الليثيوم في تحسين السعة المحددة لمواد الأنود الجرافيتي بشكل كبير.