Classement et processus de production des matériaux d'anode

2025-04-04

Les matériaux d'anodesont principalement divisés en deux catégories : matériaux carbonés et matériaux non carbonés. Le carbone fait référence aux systèmes à base de carbone, incluant principalement des microsphères de mésocarbone, du graphite artificiel, du graphite naturel et du carbone dur. Actuellement, les matériaux carbonés les plus largement utilisés sont les matériaux d'anode en graphite, parmi lesquels le graphite artificiel et le graphite naturel ont des applications industrielles à grande échelle. Les matériaux non carbonés incluent principalement des matériaux à base de silicium, à base d'étain, du titanate de lithium, etc. Parmi eux, les matériaux d'anode à base de silicium sont les principaux objets de recherche des principaux fabricants de matériaux d'anode à l'heure actuelle, et constituent l'un des nouveaux matériaux d'anode qui ont le plus de chances d'être appliqués à grande échelle dans le futur.

Traitement du graphite naturel

Le matériau d'anode en graphite naturel est à base de graphite en flocons naturel comme matière première, après moulage, classement, sphéroïdisation, purification, traitement de surface et d'autres processus préparés à partir du matériau cathodique.

Processus de préparation du matériau d'anode en graphite artificiel

Le processus de fabrication du graphite artificiel peut être divisé en quatre étapes, plus de dix petites procédures, la granulation et la graphitisation étant les clés.

Le processus de production du matériau d'anode en graphite artificiel peut être divisé en quatre étapes :

1) prétraitement

2) granulation

3) graphitisation

4) broyage à billes et tamisage.

Parmi les quatre étapes, le concassage et le tamisage sont relativement simples, tandis que la granulation et la graphitisation sont les deux maillons qui reflètent le seuil technique et le niveau de production de l'industrie de l'anode.

Concernant le processus de production, tout d'abord, un ou plusieurs des coke et particules conductrices, nanotubes de carbone, noir de carbone, noir d'acétylène sont prémélangés, puis le matériau mélangé et le carbone sont frittés et enduits une fois, et les particules préparées sont graphitisées. Matériaux graphitisés et matériaux résineux pour un revêtement secondaire ; Traitement de surface avec solvant, centrifugation, précipitation et autres méthodes pour séparer les particules solides du solvant, puis carbonisation, particules de 5 à 20 um, pour obtenir un matériau d'anode en carbone à haut débit. Dans cette méthode, en mélangeant et en fabriquant des particules, les particules sont enrobées deux fois pour remplir la coquille interne du matériau, de sorte que la structure interne du matériau soit stable, ce qui permet au matériau d'anode en carbone d'avoir les avantages d'une haute performance, d'une forte compaction à pression élevée, d'une capacité spécifique élevée, etc.

(1) Prétraitement

Le matériau brut de graphite (coke aiguille ou coke de pétrole) est mélangé avec un liant pour le fraisage à air (concassage). Selon les différents produits, les matériaux bruts de graphite et l'adhésif (graphitisation) selon des proportions différentes, le rapport de mélange est de 100 :(5~20), le matériau est introduit par la machine de chargement sous vide dans le trémie, puis la trémie dans le moulin à air pour un broyage à air, broyant les matières premières et auxiliaires de 5 à 10 mm de diamètre à 5-10 microns. Après le broyage à air, un cyclo-dust collector est utilisé pour collecter les matériaux de taille de particule requise, le taux de collecte de la poussière est d'environ 80%, le gaz résiduel est filtré par le filtre à noyau et évacué, l'efficacité d'élimination de la poussière est de plus de 99 %. Le matériau du filtre est un tissu filtrant avec des pores de moins de 0.2 micron, qui peut intercepter toute la poussière supérieure à 0.2 micron. Le système de contrôle du ventilateur est en état de pression négative.

Différence : le moulin de pretreatment est divisé en moulin mécanique et moulin à jet, actuellement le moulin à jet est le plus courant. Il existe plus de types d'adhésifs, tels que l'asphalte pétrolier, l'asphalte de houille, la résine phénolique ou la résine époxy.

(2) Granulation/Granulation Secondaire

Granulation est une étape clé dans le traitement du graphite artificiel. La granulation est divisée en processus de pyrolyse et processus de broyage à billes.

Processus de Pyrolyse : le matériau intermédiaire 1 est mis dans le réacteur de réaction et chauffé électriquement selon une certaine courbe de température dans une atmosphère de gaz inerte et sous une certaine pression. Il est agité à 200-300 ℃ pendant 1-3h puis chauffé à 400-500℃ pour obtenir le matériau avec une taille de particule de 10-20mm. Le matériau est refroidi et déchargé, à savoir le matériau intermédiaire

2. Division du travail entre le moulin à billes et le tamis : alimentation sous vide, transport du matériau intermédiaire 2 vers le moulin à billes pour un broyage mécanique à billes, broyage de matériau de 10~20mm en matériau de taille de particule de 6~10 microns, et tamisage pour obtenir le matériau intermédiaire

3. Le matériau sur le tamis est transporté à nouveau vers le moulin à billes par un tuyau sous vide pour le broyage à billes.

La taille, la distribution et la morphologie des particules de graphite affectent de nombreuses propriétés des matériaux d'anode. En général, plus la taille des particules est petite, meilleures sont les performances de taux et la durée de vie du cycle, mais l'efficacité de première pression et la densité de compactage (affectant la densité énergétique volumique et la capacité spécifique) sont moins bonnes, et vice versa. Une distribution de taille de particule raisonnable (mélange de grosses particules avec de petites particules, processus ultérieur) peut améliorer la capacité spécifique de l'électrode négative. La morphologie des particules a également une grande influence sur les performances à taux et à basse température.

Granulation Secondaire : les petites particules ont une grande surface spécifique, plus de canaux et des chemins plus courts pour la migration des ions lithium, de bonnes performances de taux, et les grandes particules ont une haute densité de compactage et une grande capacité. Comment tenir compte des avantages des grandes et petites particules, et atteindre en même temps une haute capacité et un haut taux ? La réponse est de réaliser une granulation secondaire. En utilisant le matériau de base tel que le coke pétrolier en petites grains et le coke à aiguille, en ajoutant des matériaux de revêtement et des additifs, dans des conditions d'agitation à haute température, en contrôlant la proportion de matériau, la courbe de montée en température et la vitesse d'agitation, le matériau de base en petits grains peut être granulé deux fois, et le produit avec une taille de grain plus grande peut être obtenu. Comparé au produit de même taille de particule, la granulation secondaire peut améliorer efficacement la performance de rétention de liquide du matériau et réduire le coefficient d'expansion du matériau (il y a des trous concaves entre les petites particules et les petites particules), raccourcir le chemin de diffusion des ions lithium, améliorer la performance de taux, mais aussi améliorer les performances à haute et basse température et la performance de cycle du matériau.

Différences : le processus de granulation secondaire présente des barrières élevées, de nombreux types de matériaux de revêtement et d'additifs, et est sujet à des problèmes tels que le revêtement inégal ou le détachement du revêtement, ou un mauvais effet de revêtement, etc. C'est un processus important pour le graphite artificiel haut de gamme.

(3) La graphitisation

Graphitisation est la transformation ordonnée d'atomes de carbone thermodynamiquement instables d'une structure en couches chaotiques à une structure cristalline de graphite par activation thermique. Par conséquent, un traitement thermique à haute température (HTT) est utilisé dans le processus de graphitisation pour fournir l'énergie nécessaire au réarrangement atomique et à la transformation structurelle. Afin d'améliorer le degré de graphitisation des matériaux en carbone réfractaires, des catalyseurs peuvent également être ajoutés.

Pour obtenir un meilleur effet de graphitisation, trois aspects doivent être pris en compte :

1. Maîtriser la méthode de chargement des matériaux résistants et des matériaux dans le four (chargement horizontal, chargement vertical, dislocation et chargement mixte, etc.), et pouvoir ajuster la distance entre les matériaux en fonction des différentes performances des matériaux résistants ;

2. Selon la capacité et les spécifications des produits du four de graphitisation, une courbe de puissance différente est utilisée pour contrôler le taux d'élévation et de chute au cours du processus de graphitisation ;

3. Dans des circonstances spécifiques, ajouter un catalyseur dans les ingrédients pour améliorer le degré de graphitisation, c'est-à-dire la "graphitisation catalytique".

Différences : Les qualités différentes du graphite artificiel ont des taux de chauffage et de refroidissement, des temps de maintien, des catalyseurs, etc., différents. On peut s'attendre à ce que les types de fours de graphitisation utilisés soient différents, entraînant des différences relativement importantes en termes de performances et de coûts. La graphitisation, séparée des processus d'entrée et de sortie, en particulier le processus de chauffage et de refroidissement, est essentiellement programmée, mais le temps de graphitisation est long et l'investissement en équipements est important, nécessitant donc un plus grand traitement sous-traité, sans risque de fuite technologique.

(4) Carbonisation revêtue

La carbonisation revêtue: La carbonisation revêtue utilise un matériau en carbone semblable au graphite comme "noyau", et revêt une couche de matériau en carbone amorphe uniforme sur sa surface pour former des particules similaires à une structure en "noyau-manteau". Les précurseurs des matériaux en carbone amorphe couramment utilisés comprennent des matériaux en carbone issus de la pyrolyse à basse température tels que la résine phénolique, le bitume et l'acide citrique. L'espacement intercalaires des matériaux en carbone amorphe est plus grand que celui du graphite, ce qui peut améliorer la performance de diffusion des ions lithium en eux. La film SEI, améliore le premier effet, la durée de vie en cycle, etc.

Différences : Différents fabricants choisissent différents précurseurs et différentes procédures de chauffage, de sorte que l'épaisseur et l'uniformité de la couche de revêtement sont également différentes, ce qui affecte aussi le coût et les performances du produit.

(5) Criblage/Dopage

Les matériaux graphités sont transportés au broyeur à billes par aspiration, puis subissent un mélange physique et un broyage à billes. Ils sont tamisés avec un tamis moléculaire de 270 mailles, et le matériau sous le tamis est inspecté, mesuré, emballé et stocké. Le matériau sur le tamis est ensuite broyé à nouveau pour répondre aux exigences de taille des particules et est ensuite tamisé.

Dopage modification : La méthode de modification par dopage est plus flexible et les éléments de dopage sont divers. Actuellement, les chercheurs étudient activement cette méthode. Le dopage d'éléments non carbonés dans le graphite peut modifier l'état électronique du graphite, le rendant plus facile à obtenir des électrons, et permettant d'augmenter encore l'intercalation des ions lithium. Par exemple, le dopage réussi des atomes de phosphore et de bore à la surface du graphite et la formation de liaisons chimiques avec eux aident à former un film SEI dense, ce qui a effectivement amélioré la durée de vie en cycle et la performance en taux du graphite. Le dopage de différents éléments dans le matériau en graphite a différents effets d'optimisation sur ses performances électrochimiques. Parmi eux, l'ajout d'éléments (Si, Sn) qui ont également la capacité de stocker du lithium peut améliorer significativement la capacité spécifique des matériaux d'anode en graphite.