تصنيف مادة الأنود وعملية الإنتاج

2025-04-04

مواد الأنود تنقسم بشكل رئيسي إلى فئتين: مواد كربونية ومواد غير كربونية. يشير الكربون إلى الأنظمة القائمة على الكربون، والتي تشمل بشكل رئيسي كريات الكربون المتوسطة، الجرافيت الصناعي، الجرافيت الطبيعي والكربون الصلب. في الوقت الحالي، تعتبر مواد الأنود الكربونية، وخاصة الجرافيت الصناعي والجرافيت الطبيعي، هي الأكثر استخداماً على نطاق واسع في الصناعات. تشمل المواد غير الكربونية بشكل رئيسي المواد القائمة على السيليكون، المواد القائمة على القصدير، الليثيوم Titanate، وغيرها. من بينها، تُعتبر مواد الأنود القائمة على السيليكون هي الأهداف البحثية الرئيسية لمصنعي مواد الأنود الرئيسيين حالياً، وتعتبر واحدة من مواد الأنود الجديدة الأكثر احتمالاً للتطبيق على نطاق واسع في المستقبل.

معالجة الجرافيت الطبيعي

مادة الأنود من الجرافيت الطبيعي هي جرافيت رقيق طبيعي كمادة خام، بعد الطحن، التصنيف، التكرير، التنقية، معالجة السطح وعمليات أخرى تم إعدادها من مادة الكاثود.

عملية إعداد مادة الأنود من الجرافيت الصناعي

يمكن تقسيم عملية تصنيع الجرافيت الصناعي إلى أربع خطوات، أكثر من عشرة إجراءات صغيرة، حيث أن التشكيل والجرفين تنظف أساسيين.

يمكن تقسيم عملية إنتاج مادة الأنود من الجرافيت الصناعي إلى أربع خطوات:

1) المعالجة المسبقة

2) التشكيل

3) الجرفنة

4) الطحن الكروي والفحص.

من بين الأربع خطوات، يُعتبر التكسير والفحص نسبيًا بسيطين، بينما التشكيل والجرفنة هما الرابطتان اللتان تعكسان العتبة التقنية ومستوى الإنتاج في صناعة الأنود.

بالنسبة لعملية الإنتاج، أولاً، يتم خلط نوع أو أكثر من الكوك والجزيئات الموصلة، أنابيب الكربون النانوية، الكربون الأسود، ورماد الأستيلين، ثم يتم صهر المادة المختلطة مع الكربون وتغليفها مرة واحدة، ويتم جرفنة الجزيئات المعدة. يتم معالجة المواد الجرفنة ومواد الراتينج للتغليف الثانوي؛ تتم معالجة السطح باستخدام المذيبات، الطرد المركزي، الترسيب وطرق أخرى لفصل الجزيئات الصلبة عن المذيب، ثم يتم الكربنة، جزيئات بقطر 5-20 ميكرون، للحصول على مادة أنود كربونية عالية. في هذه الطريقة، من خلال خلط وصنع الجزيئات، يتم تغليف الجزيئات مرتين لملء القشرة الداخلية للمادة، بحيث يكون الهيكل الداخلي للمادة مستقرًا، مما يجعل مادة الأنود الكربونية تمتلك مزايا الأداء العالي، والضغط العالي للتعبئة، والسعة النوعية العالية وغيرها.

(1) المعالجة المسبقة

يتم خلط المادة الخام للجرافيت (الكوك الإبر أو كوك البترول) مع مادة رابطة لطحن الهواء (التكسير). وفقًا للمنتجات المختلفة، يتم خلط المواد الخام للجرافيت والمواد اللاصقة (الجرفنة) وفقًا لنسب مختلفة، حيث تكون نسبة الخلط 100 :(5~20)، تمر المادة من خلال ماكينة تغذية فراغية إلى الخزان، ثم يتم إدخالها من الخزان إلى مطحنة تدفق الهواء لطحن الهواء، حيث يتم طحن المواد الخام والمواد المساعدة بقطر 5~10 مم إلى 5-10 ميكرونات. بعد طحن الهواء، يُستخدم جامع الغبار الساكن لجمع المواد المطلوبة بحجم الجزيئات، حيث تصل نسبة جمع الغبار إلى حوالي 80%، ويتم تصفية غاز العادم عن طريق مرشح يمر عبر نواة الفلتر ويتم إخراجه، حيث تتجاوز كفاءة إزالة الغبار 99%. المادة المستخدمة في العنصر الفلتر هي قماش الفلتر ذو المسام الأقل من 0.2 ميكرون، والذي يمكنه اعتراض جميع الغبار الذي يزيد حجمه عن 0.2 ميكرون. نظام التحكم في المروحة يعمل في حالة الضغط السلبي.

الفرق: يتم تقسيم مطحنة المعالجة المبدئية إلى مطحنة ميكانيكية ومطحنة النفاثة، والنظام السائد الآن هو مطحنة النفاثة. هناك أنواع أكثر من المواد اللاصقة، مثل الأسفلت النفطي، وأسفلت الفحم، والراتنج الفينولي أو راتنج الإيبوكسي.

(2) التكوير/التكوير الثانوي

التكوير هو خطوة رئيسية في معالجة الجرافيت الصناعي. يتم تقسيم التكوير إلى عملية البيروليز وعملية الطحن الكروي.

عملية البيروليز: يتم وضع المادة الوسيطة 1 في المفاعل التفاعلي وتسخينها كهربائيًا وفقًا لمنحنى درجة حرارة معين في جو غاز خامل وتحت ضغط معين. يتم خلطها عند 200-300 ℃ لمدة 1-3 ساعات ثم تسخينها إلى 400-500 ℃ للحصول على المادة بحجم جزيئي يتراوح بين 10-20 مم. تُبرد المادة وتُفَرز، وهي المادة الوسيطة

2. تقسيم العمل بين مطحنة الكرة والمنخل: تغذية تحت الفراغ، ونقل المادة الوسيطة 2 إلى مطحنة الكرة للطحن الكروي الميكانيكي، وطحن المواد بحجم 10~20 مم إلى مادة بحجم جزئي يتراوح بين 6~10 ميكرون، وفرز للحصول على المادة الوسيطة

3. تُنقل المادة الموجودة على المنخل مرة أخرى إلى مطحنة الكرة عبر أنبوب الفراغ للطحن الكروي.

تؤثر حجم وتوزيع وشكل جزيئات الجرافيت على العديد من خصائص مواد الأنود. بشكل عام، كلما كان حجم الجزيء أصغر، كانت أداء المعدل وعمر الدورة أفضل، لكن كفاءة الضغط وكثافة التعبئة (التي تؤثر على كثافة الطاقة الحجمية والسعة النوعية) تكون أسوأ، والعكس صحيح. يمكن أن يؤدي توزيع حجم الجزيئات المعقول (خلط الجزيئات الكبيرة مع الجزيئات الصغيرة، العملية اللاحقة) إلى تحسين السعة النوعية للإلكترود السالب. كما أن شكل الجزيء له تأثير كبير على الأداء في معدل الأداء ودرجات الحرارة المنخفضة.

التكوير الثانوي: تمتلك الجزيئات الصغيرة مساحة سطحية نوعية كبيرة، والقنوات أكثر والطرق أقصر لترحيل أيونات الليثيوم، مما يعكس أداء معدل جيد، بينما تتمتع الجزيئات الكبيرة بكثافة ضغط عالية وسعة كبيرة. كيف يمكن أخذ مزايا الجزيئات الكبيرة والصغيرة بعين الاعتبار، وفي الوقت نفسه تحقيق سعة عالية ومعدل عالٍ؟ الإجابة هي اتخاذ التكوير الثانوي. باستخدام المادة الأساسية مثل فحم النفط ذو الحبة الصغيرة وفحم الإبرة، من خلال إضافة مواد الطلاء والمواد المضافة، في ظل ظروف التحريك عالية درجة الحرارة، من خلال التحكم في نسبة المواد، ومنحنى ارتفاع درجة الحرارة وسرعة التحريك، يمكن تكوير المادة الأساسية ذات الحبة الصغيرة مرتين، والحصول على منتج بحجم حبة أكبر. مقارنة بمنتج بنفس حجم الجزيئات، يمكن أن يحسن التكوير الثانوي بشكل فعال من أداء احتباس السائل للمادة ويقلل من معامل التمدد للمادة (توجد ثقوب مقعرة بين الجزيئات الصغيرة والجزيئات الصغيرة)، ويقصر مسار انتشار أيونات الليثيوم، ويحسن أداء المعدل، بل يحسن أيضًا الأداء عند درجات الحرارة العالية والمنخفضة وأداء الدورة للمادة.

الاختلافات: تتمتع عملية التكوير الثانوي بحواجز عالية، ومواد طلاء ومواد مضافة متنوعة، وتميل إلى مشاكل مثل الطلاء غير المتساوي أو تساقط الطلاء، أو ضعف تأثير الطلاء، وما إلى ذلك. إنها عملية مهمة للجرافيت الصناعي عالي الجودة.

(3) تحويل إلى غرافيت

الرسومات هو التحول المنظم لذرات الكربون غير المستقرة ديناميكيًا من هيكل طبقي فوضوي إلى هيكل بلوري غرافيتي عن طريق التنشيط الحراري. لذلك، يتم استخدام معالجة الحرارة عالية الحرارة (HTT) في عملية التحويل إلى غرافيت لتوفير الطاقة لإعادة ترتيب الذرات والتحول الهيكلي. لتحسين درجة التحويل إلى غرافيت لمواد الكربون المقاومة، يمكن أيضًا إضافة محفزات.

للحصول على تأثير تحويل أفضل إلى غرافيت، يحتاج الأمر إلى القيام بثلاثة جوانب:

1. إتقان طريقة تحميل المواد المقاومة والمواد في الفرن (التحميل الأفقي، التحميل العمودي، الانزلاق والتحميل المختلط، إلخ)، ويمكن ضبط المسافة بين المواد وفقًا للأداء المختلف للمواد المقاومة؛

2. وفقًا لسعة الفرن والمواصفات المختلفة للمنتج، يتم استخدام منحنى طاقة مختلف للتحكم في معدل الارتفاع والانخفاض أثناء عملية التحويل إلى غرافيت؛

3. في ظروف معينة، يتم إضافة محفز في المكونات، لتحسين درجة التحويل إلى غرافيت، أي ما يُعرف بـ "التحويل الغرافيتي المحفز".

الاختلافات: تمتلك أنواع مختلفة من الغرافيت الاصطناعي معدلات تسخين وتبريد مختلفة، وأوقات احتجاز، ومُحفزات، وما إلى ذلك. من المتوقع أن تكون أنواع الأفران المستخدمة في التحويل إلى غرافيت مختلفة، مما يؤدي إلى فروق نسبية كبيرة في الأداء والتكلفة. يعد الانفصال بين عمليات التحويل إلى غرافيت من العمليات الأمامية والخلفية، وخاصة عملية التسخين والتبريد، برمجة أساسية، ولكن وقت التحويل إلى غرافيت طويل والاستثمار في المعدات كبير، لذلك يتطلب المزيد من المعالجة الخارجية، ولا يوجد خطر من تسرب التكنولوجيا.

(4) الكربنة المغلفة

الكربنة المغلفة: تستخدم الكربنة المغلفة مادة كربونية تشبه الغرافيت كـ "نواة"، وتغلف طبقة من مادة كربونية غير متبلورة موحدة على سطحها لتشكيل جزيئات تشبه هيكل "نواة وقشرة". تشمل المواد السابقة المستخدمة عادة من الكربون غير المتبلور مواد كربونية من التكسير الحراري في درجات حرارة منخفضة، مثل راتنج الفينول، القار، وحمض الستريك. المسافة بين الطبقات في المواد الكربونية غير المتبلورة أكبر من تلك الموجودة في الغرافيت، مما يمكن أن يحسن أداء الانتشار لأيونات الليثيوم فيها. فيلم SEI، تحسين التأثير الأولي، عمر الدورة، إلخ.

الاختلافات: تختار مختلف الشركات المصنعة سوابق مختلفة وإجراءات تسخين مختلفة، بحيث تكون سماكة وموحدية طبقة الطلاء مختلفة أيضًا، لذا ستختلف تكلفة المنتج وأدائه.

(5) الفرز/التحسين

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 التحسين: طريقة تعديل التحسين أكثر مرونة والعناصر المضافة متعددة. في الوقت الحالي، يقوم الباحثون بنشاط بدراسة هذه الطريقة. يمكن أن يؤدي إدخال عناصر غير كربونية في الغرافيت إلى تغيير الحالة الإلكترونية للغرافيت، مما يجعل من الأسهل الحصول على الإلكترونات، وبالتالي زيادة التداخل لأيونات الليثيوم. على سبيل المثال، يساعد إدخال الذرات الفوسفورية والبورون بنجاح في سطح الغرافيت وتشكيل روابط كيميائية معها في تشكيل فيلم SEI كثيف، مما يحسن فعليًا من عمر الدورة وأداء المعدل للغرافيت. إن إدخال عناصر مختلفة في مادة الغرافيت له تأثيرات تحسين مختلفة على أدائها الكهروكيميائي. من بينها، يُمكن أن تُحسن إضافة عناصر (Si، Sn) التي تمتلك أيضًا القدرة على تخزين الليثيوم بشكل كبير من السعة المحددة لمواد الأنود الغرافيتية.