Anodenmaterialklassifizierung und Produktionsprozess

2025-03-26

Anodenmaterialien werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Kohlenstoffmaterialien und Nicht-Kohlenstoffmaterialien. Kohlenstoff bezieht sich auf kohlenstoffbasierte Systeme, hauptsächlich bestehend aus Mesokarbonmikrosphären, künstlichem Graphit, natürlichem Graphit und hartem Kohlenstoff. Derzeit sind die am weitesten verbreiteten Kohlenstoffmaterialien Graphitanodenmaterialien, wobei künstlicher Graphit und natürlicher Graphit großflächige industrielle Anwendungen haben. Nicht-Kohlenstoffmaterialien umfassen hauptsächlich siliziumbasierte Materialien, zinnbasierte Materialien, Lithiumtitanat usw. Unter diesen sind siliziumbasierte Anodenmaterialien die Hauptforschungsobjekte der wichtigen Anodenmaterialhersteller und gehören zu den neuen Anodenmaterialien, die in Zukunft am wahrscheinlichsten in großem Maßstab angewendet werden.

Prozess für natürliches Graphit

Das Anodenmaterial aus natürlichem Graphit wird aus natürlichem Flake-Graphit als Rohmaterial hergestellt, nachdem es gemahlen, klassifiziert, spheroidisiert, gereinigt und oberflächenbehandelt wurde.

Vorbereitungsprozess des Anodenmaterials aus künstlichem Graphit

Der Herstellungsprozess von künstlichem Graphit kann in vier Schritte unterteilt werden, die mehr als zehn kleine Verfahren umfassen, wobei Granulation und Graphitierung der Schlüssel sind. Der Produktionsprozess des Anodenmaterials aus künstlichem Graphit kann in vier Schritte unterteilt werden: 1) Vorbehandlung 2) Granulation 3) Graphitierung 4) Mahlen und Sieben. Unter den vier Schritten sind Zerkleinern und Sieben relativ einfach, während Granulation und Graphitierung die beiden Bereiche sind, die die technische Schwelle und das Produktionsniveau der Anodenindustrie widerspiegeln.

Konkreter zum Produktionsprozess: Zunächst werden eines oder mehrere der Koks- und Leitpartikel, Kohlenstoffnanoröhren, Ruß, Acetylenruß vorgemischt, danach werden das gemischte Material und Kohlenstoff einmal gesintert und beschichtet, und die vorbereiteten Partikel werden graphitiert. Graphitierte Materialien und Harzmaterialien für die sekundäre Beschichtung; Oberflächenbehandlung mit Lösungsmitteln, Zentrifugation, Niederschlag und anderen Methoden zur Trennung fester Partikel vom Lösungsmittel, und dann Karbonisierung, 5-20um Partikel, um ein hochvergütetes Kohlenstanodenmaterial zu erhalten. Bei diesem Verfahren werden durch das Mischen und Herstellen von Partikeln die Partikel zweimal beschichtet, um die innere Schale des Materials zu füllen, sodass die interne Struktur des Materials stabil ist und das Kohlenstanodenmaterial die Vorteile einer hohen Leistungsfähigkeit, einer hohen Druckverdichtung, einer hohen spezifischen Kapazität usw. hat.

（1）Vorverarbeitung

Graphitrumpfmaterial (Nadelkoks oder Petroleumkoks) wird mit Bindemittel für die Luftmahlung (Zerkleinerung) gemischt. Je nach den verschiedenen Produkten werden die Graphitrumpfmaterialien und der Kleber (Graphitierung) in unterschiedlichen Verhältnissen nach verschiedenen Proportionen gemischt, das Mischungsverhältnis beträgt 100 :(5~20), das Material wird durch die Vakuumzufuhrmaschine in den Trichter geleitet und anschließend vom Trichter in die Strömungsmahlung zur Luftmahlung geleitet, um Roh- und Hilfsmaterialien mit einem Durchmesser von 5~10 mm auf 5-10 Mikron zu mahlen. Nach der Luftmahlung wird ein Zyklonstaubabscheider verwendet, um die Materialien mit der erforderlichen Partikelgröße zu sammeln, die Staubabscheideeffizienz beträgt etwa 80%, das Abluftgas wird durch den Filterkernfilter gefiltert und abgeführt, die Staubentfernungseffizienz liegt über 99%. Das Material des Filterelements ist das Filtergewebe mit Poren von weniger als 0,2 Mikron, das allen Staub über 0,2 Mikron abfangen kann. Das Lüfterkontrollsystem befindet sich im Unterdruckzustand.

Unterschied: Die Vorbehandlungsanlage ist in mechanische Mühlen und Strahlmühlen unterteilt, während die Strahlmühle heutzutage der Mainstream ist. Es gibt mehr Arten von Klebstoffen, wie z.B. Petroleum-Asphalt, Kohle-Asphalt, Phenolharz oder Epoxidharz.

（2）Granulierung/Sekundärgranulierung

Die Granulierung ist ein entscheidender Schritt in der Verarbeitung von künstlichem Graphit. Die Granulierung wird in Pyrolyseprozess und Kugelmühlenprozess unterteilt.

Pyrolyseprozess: Das Zwischenmaterial 1 wird in den Reaktionsreaktor gegeben und gemäß einer bestimmten Temperaturkurve in einer Inertgasatmosphäre und unter einem bestimmten Druck elektrisch erhitzt. Es wird 1-3 Stunden lang bei 200-300 gerührt und dann auf 400-500 erhitzt, um das Material mit einer Partikelgröße von 10-20 mm zu erhalten. Das Material wird abgekühlt und entladen, was das Zwischenmaterial 2 darstellt. Kugelmühle und Siebteilung: Vakuumfütterung, Transport des Zwischenmaterials 2 zur Kugelmühle zur mechanischen Ballmühle, Mahlen von 10-20 mm Material in Material mit einer Partikelgröße von 6-10 Mikron und Sieben, um das Zwischenmaterial 3 zu erhalten. Das Material auf dem Sieb wird über ein Vakuumrohr zurück zur Kugelmühle transportiert, um weiter gemahlen zu werden.

Die Größe, Verteilung und Morphologie der Graphitpartikel beeinflussen viele Eigenschaften der Anodenmaterialien. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Partikelgröße, desto besser die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer, aber die erste Effizienz und die Verdichtungsdichte (beeinflusst die volumetrische Energiedichte und spezifische Kapazität) sind schlechter und umgekehrt. Eine vernünftige Partikelgrößenverteilung (Mischung großer Partikel mit kleinen Partikeln, späterer Prozess) kann die spezifische Kapazität der Negativelektrode verbessern. Die Partikelmorphologie hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Rate und die Hoch- und Niedertemperaturleistung.

Sekundärgranulierung: Kleine Partikel haben eine große spezifische Oberfläche, mehr Kanäle und kürzere Wege für die Migration von Lithium-Ionen, eine gute Rateleistung, und große Partikel haben eine hohe Verdichtungsdichte und große Kapazität. Wie kann man die Vorteile von großen und kleinen Partikeln in Einklang bringen und gleichzeitig hohe Kapazität und hohe Rate erzielen? Die Antwort ist, die Sekundärgranulierung zu nutzen. Mithilfe von Basismaterialien wie kleinen Körnern Petroleumkoks und Nadelkoks wird durch Zugabe von Beschichtungsmaterialien und Zusatzstoffen unter Bedingungen hoher Temperatur und Rührungsgeschwindigkeit, durch Kontrolle des Materialverhältnisses, der Temperaturkurve und der Rührgeschwindigkeit, das kleine Körner-Basismaterial zweimal granulliert, sodass ein Produkt mit größerer Körnergröße erhalten werden kann. Im Vergleich mit dem Produkt derselben Partikelgröße kann die Sekundärgranulierung die Flüssigkeitsrückhaltung des Materials effektiv verbessern und den Ausdehnungskoeffizienten des Materials verringern (es gibt konkave Löcher zwischen kleinen Partikeln und kleinen Partikeln), den Diffusionsweg der Lithium-Ionen verkürzen, die Rateleistung verbessern und gleichzeitig auch die Hoch- und Niedertemperaturleistung sowie die Zyklenleistung des Materials verbessern.

Unterschiede: Der Sekundärgranulierungsprozess weist hohe Barrieren auf, viele Arten von Beschichtungsmaterialien und Zusatzstoffen, und ist anfällig für Probleme wie ungleichmäßige Beschichtung oder Ablösung der Beschichtung oder schlechte Beschichtungseffekte usw. Es ist ein wichtiger Prozess für hochwertigen künstlichen Graphit.

（3）Graphitierung
Die Graphitierung ist die geordnete Umwandlung von thermodynamisch instabilen Kohlenstoffatomen von einer chaotischen Schichtstruktur in eine Graphitkristallstruktur durch thermische Aktivierung. Daher wird bei dem Graphitierungsprozess eine Hochtemperaturwärmebehandlung (HTT) eingesetzt, um Energie für die atomare Umordnung und strukturelle Transformation bereitzustellen. Um den Graphitierungsgrad von feuerfesten Kohlenstoffmaterialien zu verbessern, können auch Katalysatoren hinzugefügt werden.

Um einen besseren Graphitierungseffekt zu erzielen, müssen drei Aspekte beachtet werden: 1. Die Methode des Ladens von Widerstandsmaterialien und Materialien in den Ofen (horizontales Laden, vertikales Laden, Versatz- und Mischladen usw.) beherrschen und den Abstand zwischen den Materialien entsprechend den unterschiedlichen Eigenschaften der Widerstandsmaterialien anpassen können; 2.2, je nach unterschiedlicher Kapazität und Produktspezifikation des Graphitierungsofens wird eine unterschiedliche Leistungskennlinie verwendet, um die Steigungs- und Fallrate im Graphitierungsprozess zu steuern; 3. In bestimmten Fällen Katalysatoren zu den Zutaten hinzufügen, um den Graphitierungsgrad zu verbessern, das heißt „katalytische Graphitierung“.

Unterschiede: Materialien mit unterschiedlichen Qualitäten von künstlichem Graphit haben unterschiedliche Heiz- und Kühlraten, Haltezeiten, Katalysatoren usw. Es wird erwartet, dass die verwendeten Arten von Graphitierungsöfen unterschiedlich sind, was zu relativ großen Unterschieden in der Leistung und den Kosten führt. Die Graphitierung, die von den Front- und Backendprozessen, insbesondere dem Heiz- und Kühlprozess, getrennt ist, ist im Grunde genommen programmiert, aber die Graphitierungszeit ist lang und die Investition in die Ausrüstung ist groß, sodass mehr ausgelagerte Verarbeitung erforderlich ist und kein Risiko eines Technologielecks besteht.
Beschichtete Karbonisierung: Die beschichtete Karbonisierung verwendet ein graphitähnliches Kohlenstoffmaterial als „Kern“ und beschichtet eine Schicht gleichmäßigen amorphen Kohlenstoffmaterials auf seiner Oberfläche, um Partikel zu bilden, die einer „Kern-Schale“-Struktur ähnlich sind. Die Vorläufer der gebräuchlichsten amorphen Kohlenstoffmaterialien umfassen kohlenstoffhaltige Materialien aus Niedertemperatypyrolyse wie phenolische Harze, Pech und Zitronensäure. Der Schichtabstand von amorphen Kohlenstoffmaterialien ist größer als der von Graphit, was die Diffusionsleistung von Lithiumionen darin verbessern kann. SEI-Film, Verbesserung der ersten Wirkung, Zykluslebensdauer usw.

Unterschiede: Verschiedene Hersteller wählen unterschiedliche Vorläufer und unterschiedliche Heizverfahren, sodass die Dicke und Gleichmäßigkeit der Beschichtungsschicht ebenfalls unterschiedlich sind, was zu unterschiedlichen Produktkosten und -leistungen führt.

(4) Screening/Dotierung
Die graphitisierten Materialien werden vakuumiert in die Kugelmühle transportiert und unterziehen sich dann einer physikalischen Mischung und Kugelmühle. Sie werden mit einem 270-Mesh-Molekularsieb gesiebt, und das Material unter dem Sieb wird inspiziert, gemessen, verpackt und lagert. Das Material auf dem Sieb wird weiter gekugelmühlt, um die Partikelgrößenanforderungen zu erfüllen, und anschließend gesiebt.

Dotierungsmodifikation. Das Dotierungsmodifikationsverfahren ist flexibler und die Dotierungselemente sind vielfältig. Derzeit forschen die Wissenschaftler aktiv nach dieser Methode. Das Dotieren von Nicht-Kohlenstoffelementen in Graphit kann den elektronischen Zustand des Graphits ändern, was es einfacher macht, Elektronen zu erhalten, und somit die Interkalation von Lithiumionen weiter erhöht. Zum Beispiel hilft die erfolgreiche Dotierung von Phosphor- und Boratomen in die Graphitoberfläche und die Bildung chemischer Bindungen mit ihnen, einen dichten SEI-Film zu bilden, was die Zykluslebensdauer und die Leistungsfähigkeit von Graphit effektiv verbessert hat. Die Dotierung verschiedener Elemente im Graphitmaterial hat unterschiedliche Optimierungseffekte auf dessen elektrochemische Leistung. Dabei kann die Zugabe von Elementen (Si, Sn), die ebenfalls die Fähigkeit zur Speicherung von Lithium haben, die spezifische Kapazität von Graphitanodenmaterialien erheblich verbessern.