تطبيق فحم النفط كمادة أنودية

2025-03-26

بطارية أيونات الليثيوم هي جهاز تخزين طاقة قابل لإعادة التدوير، ويُعرف أيضًا ببطارية أيونات الليثيوم الثانوية، والتي تتكون من إلكترود إيجابي وإلكترود سالب وغشاء ونظام سائل إلكتروليتي. تتميز هذه النوعية من البطاريات بكثافة طاقة عالية مقارنةً بالبطاريات الأولية الأخرى، وعدم وجود تأثير للذاكرة وتفريغ ذاتي منخفض. يتم تقسيم مادة الأنود الخاصة ببطارية أيونات الليثيوم إلى جرافيت صناعي وجرافيت طبيعي. المادة الخام للجرافيت الصناعي تتكون بشكل رئيسي من فحم النفط وفحم إبرة الفحم.

يعد فحم النفط عالي الجودة، الممثل بفحم النفط الإبري، لديه مجموعة من المزايا مثل معامل التمدد الحراري المنخفض، والفراغ المنخفض، والكبريت المنخفض، والرماد المنخفض، ومحتوى المعادن المنخفض، والموصلية العالية وسهولة التحويل إلى جرافيت، لذا يُعتبر مواد أنودية عالية الجودة لبطاريات أيونات الليثيوم.

يتم استخدام فحم البترول عالي الجودة كمواد أنود لبطاريات أيون الليثيوم، والتي تتطلب عمومًا التنقية والسحق وفحص حجم الجسيمات والجرافيت وتعديل السطح وغيرها من العمليات. العملية برمتها طويلة نسبيًا، والتأثير النهائي هو عوامل أكثر تأثيرًا. بعض أكبر المخاوف هي:
(1) آلية تغير هيكل الكربون مع درجة الحرارة؛
(2) العلاقة بين خصائص المواد الأنودية وهيكل المواد الكربونية؛
(3) هل هناك مواد كربونية مناسبة لتلبية احتياجات المواد الأنودية لبطاريات أيونات الليثيوم؟

1. تأثير درجة حرارة المعالجة بعد المعالجة لفحم النفط عالي الجودة على أدائه

تنقسم المعالجة الحرارية بعد العالية لفحم النفط عالي الجودة إلى مرحلتين: الحرق والتجريف عند درجات حرارة عالية. يشير الحرق إلى عملية الحرق تحت 1500، ويشير التجريف عند درجات حرارة عالية إلى عملية العلاج الحراري العالية القريبة من 3000.
يتم الكالكنة من فحم البترول عالي الجودة الذي يتم إنتاجه من عملية التقطير المتأخر في الفرن الدوار، مما يقلل بشكل كبير من الرطوبة والمواد المتطايرة، ويجعل النقل والتخزين أكثر ملاءمة. خلال عملية الجرافيتة، تكون درجة حرارة الجرافيتة عاملاً رئيسياً يؤثر على درجة جرافيتة فحم البترول عالي الجودة.

في نطاق 700 ~ 1000، كلما كانت درجة الحرارة أعلى، كانت المسافة بين طبقات الجرافيت في العينة الكربونية أصغر، وازدادت التنظيم الهيكلي للعينة، ويمكن أن يسمى هذا النوع من الفحم بالكربون الناعم. السعة الأولية للعينة المعالجة عند هذه الدرجة من الحرارة أعلى من السعة النظرية للجرافيت والتي تبلغ 340 مللي أمبير/جرام. ومع ذلك، من الصعب الحصول على جهد شحن وتفريغ مستقر لمواد أنود بطارية أيون الليثيوم المصنوعة من فحم البترول على شكل إبر.

بعد جرافيتة فحم البترول الإبري وفحم القار عند 2800، وُجد أن فحم البترول الإبري المُجَرَّف بعد 40 دورة من الشحن والتفريغ، يمكن أن تحافظ سعة الليثيوم عليها بشكل مستقر عند 301 مللي أمبير/جرام، بينما سعة فحم القار الجرافيتي هي فقط 240 مللي أمبير/جرام. ويرجع ذلك إلى أن المادة الخام لفحم البترول الإبري تم تنقيتها، ويمكن أن يتشكل الطور المتوسط ذو المساحة الواسعة خلال عملية التكويك. أخيرًا، يكون من الأسهل جرافيتة فحم البترول الإبري وتكون درجة الجرافيتة أعلى.

2. الميكروستروكشر وآلية تخزين الليثيوم لفحم البترول عالي الجودة

(1) تمثل الكربون الناعم، هناك آليات مختلفة لتخزين الليثيوم، مثل تخزين الليثيوم بين الطبقات من الميكروكريستالات الجرافيت، وتخزين الليثيوم من خلال المسام النانوية أو الشقوق في الكربون الناعم، والفيلم الكهربائي الصلب الناتج عن تفاعل عيوب السطح أو مجموعات الوظائف المتبقية لمواد الكربون مع Li+، إلخ.

(2) النوع الثاني، الممثل بالجرافيت الاصطناعي، هو بشكل رئيسي التخزين بين الطبقات للجرافيت الليثيوم، لذلك ستكون السعة الأولية أقل من الكربون الناعم.

في الختام، التأثير النهائي لدرجة حرارة الجرافيتة هو الهيكل الداخلي لفحم البترول عالي الجودة ومواد الكربون الأخرى. إذا كان الهيكل الداخلي للمواد أكثر انتظامًا وأسهل في الجرافيتة، فإن سعة القطب السالب النهائية ستكون أعلى وكفاءة الدورة ستكون أفضل. ومع ذلك، على الرغم من أن مواد الكربون الجرافيتية بشكل كبير لديها سعة عالية ومنصة شحن وتفريغ مستقرة، إلا أن أدائها في الدورات وأداءها في درجات الحرارة المنخفضة ضعيف. يعود ذلك إلى أنه عندما يتم إدخال Li+ إلى طبقة الجرافيت، فإنه يتكون مركب بين طبقات الجرافيت مع الجرافيت اللاملّح، وتبدأ طبقة الجرافيت في التمدد. عندما يتم دفع Li+، يعود الجرافيت إلى حالته الأصلية. خلال عملية التمدد والتقلص المتكررة، يصبح هيكل طبقة الجرافيت عرضة للتدمير، مما قد يؤدي إلى تضمين المذيب، لذا فإن أداء الدورة للقطب السالب يتناقص. لذلك، يجب التحكم في درجة الجرافيتة خلال عملية الجرافيتة لمواد الكربون مثل فحم البترول عالي الجودة، ويجب أن تكون هناك بعض الهياكل غير المتبلورة بين الميكروكريستالات للحفاظ على قوة هيكلية معينة.

3. الكربون الناعم كمادة قطب موجبة لبطارية أيونات الليثيوم

يختلف عن بطاريات أيونات الليثيوم العادية، فإن بطاريات أيونات الليثيوم القوية تحتاج إلى أداء سريع أعلى لتقليل وقت الشحن، وأداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة لتلبية البيئات المختلفة، وسعة كبيرة لتقليل حجم البطارية، واستقرار أفضل لمنع مشاكل السلامة.
يعتبر الكربون الناعم كمادة قطب موجبة للمرة الأولى لديه كفاءة منخفضة ولا يوجد منصة جهد مستقرة. قدم ألكانترا وآخرون تفسيرين لكفاءة الدورة الأولى المنخفضة:
(1) بسبب تفاعل Li+ والهيدروكربونات الأليفاتية منخفضة الحرارة في الكوك يحدث تفاعل لا رجعة فيه؛
(2) يرتبط Li+ بشكل لا رجعة فيه مع أجزاء الجرافيت في حافة الكوك المكشوفة. بالإضافة إلى الكفاءة المنخفضة للدورة الأولى، بسبب الفجوة بين الطبقات، سيتأخر جهد الشحن والتفريغ وسيكون القطب غير مستقر. ومع ذلك، فإن ميزة مادة القطب الموجب المصنوعة من الكربون الناعم هي أن الجهد العمل مرتفع نسبيًا، مما يمكن أن يمنع الاستخدام الآمن لترسيب معدن الليثيوم الناتج عن الدائرة القصيرة وغيرها من المشاكل. ثانيًا، التكلفة منخفضة، ولا يتطلب دخول عمليات الجرافيت عالية الحرارة.

4. الخاتمة والتوقعات

الكوك النفطي المناسب لمادة القطب الموجب لبطارية أيونات الليثيوم تحتوي على كميات صغيرة من العناصر غير الذرية مثل S و O، سهلة الجرافيت، ويجب أن تتوفر على توزيع حجم الجسيمات المناسب وسطح صغير، إلخ.الكوك النفطي عالي الجودة المحروق ومواد الكربون الناعمة الأخرى تتمتع بأداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة وأداء المعدل، مما يجعلها تحظى باهتمام أكبر في مجال مواد الأقطاب الموجبة لبطارية أيونات الليثيوم، ولكن لا تزال هناك مشاكل تتعلق بكفاءة الدورة والاستقرار التي تحتاج إلى الحل.
يمكن أن تؤدي عمليات الحرق والجرافيت إلى تغيير التركيب الداخلي للكوك النفطي عالي الجودة، ثم تغيير أدائه الكهروكيميائي كمادة قطب موجبة. ومع ذلك، لا تزال المواد الجرافيتية بحاجة إلى الترقية باستخدام طرق هندسة المواد لإظهار خصائص جيدة من حيث الدورة والتكبير والحجم الكبير.
هناك ثلاث اتجاهات تطوير لمواد الأقطاب الموجبة للكوك النفطي في المستقبل:
(1) لتحقيق فهم أعمق لبنية الكوك وعواملها المؤثرة، من أجل تحقيق الغرض من التحضير المخصص، موجه نحو بطاريات أيونات الليثيوم بسعات أعلى وأداء معدل أعلى؛
(2) تطوير وتطبيق تجاري لمواد الأقطاب الموجبة للكوك المركب الجديدة؛
(3) تطوير مواد جديدة من الكوك النفطي المستخدمة كأقطاب موجبة، بما في ذلك التحضير الدفعي لمواد أقطاب الكربون النانوية المستندة إلى الكوك النفطي، ومواد الكوك الجديدة التي تتوافق مع أنظمة البطاريات الجديدة.