एनोड सामग्री के रूप में पेट्रोलियम कोक का उपयोग

2025-03-26

लिथियम आयन बैटरी एक पुनर्चक्रणीय ऊर्जा भंडारण उपकरण है, जिसे लिथियम आयन द्वितीयक बैटरी के रूप में भी जाना जाता है, जो एक सकारात्मक इलेक्ट्रोड, एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड, एक डायाफ्राम और एक इलेक्ट्रोलाइटिक तरल प्रणाली से मिलकर बनाया जाता है। इस प्रकार की बैटरी की विशेषता अन्य प्राथमिक बैटरियों की तुलना में उच्च ऊर्जा घनत्व, कोई मेमोरी प्रभाव और कम आत्म-निष्कर्षण होती है। लिथियम आयन बैटरी एनोड सामग्री का एग्रीगेट मुख्य रूप से कृत्रिम ग्रेफाइट और प्राकृतिक ग्रेफाइट में विभाजित होता है। कृत्रिम ग्रेफाइट का कच्चा माल मुख्यतः तेल और कोयला नीडल कोक होता है।

उच्च गुणवत्ता वाला पेट्रोलियम कोक, जिसे असीक्युलर पेट्रोलियम कोक से दर्शाया जाता है, में निम्न थर्मल एक्स्पान्शन कोएफिसिएंट, कम रिक्त, कम सल्फर, कम राख, कम धातु सामग्री, उच्च संचालकता और आसान ग्रेफिटाइजेशन जैसे कई फायदे होते हैं, इसलिए इसे लिथियम आयन बैटरियों के लिए उच्च गुणवत्ता वाले एनोड सामग्री के रूप में माना जाता है।

उच्च गुणवत्ता वाला पेट्रोलियम कोक लिथियम आयन बैटरियों के लिए एनोड सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है, जिसके लिए सामान्यतः शुद्धिकरण, कुचला जाना, कण आकार का स्क्रीनिंग, ग्रेफिटाइजेशन, सतह संशोधन और अन्य प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। पूरा प्रक्रिया अपेक्षाकृत लंबी होती है, और अंतिम प्रभाव अधिक प्रभावी कारकों पर निर्भर करता है। कुछ सबसे बड़े चिंताएं हैं:
(1) तापमान के साथ कार्बन संरचना में परिवर्तन का तंत्र;
(2) एनोड सामग्रियों की गुण और कार्बन सामग्रियों की संरचना के बीच संबंध;
(3) क्या ऐसी कोई उपयुक्त कार्बन सामग्री है जो लिथियम आयन बैटरियों के एनोड सामग्री की जरूरतों को पूरा करती है?

1. उच्च गुणवत्ता वाले पेट्रोलियम कोक के प्रदर्शन पर पोस्ट-ट्रीटमेंट तापमान का प्रभाव

उच्च गुणवत्ता वाले पेट्रोलियम कोक का पोस्ट-हीट ट्रीटमेंट दो चरणों में विभाजित होता है: कैल्सिनेशन और उच्च तापमान ग्रेफिटाइजेशन। कैल्सिनेशन 1500 से नीचे के कैल्सिनेशन प्रक्रिया को संदर्भित करता है, और उच्च तापमान ग्रेफिटाइजेशन 3000 के करीब उच्च तापमान उपचार प्रक्रिया को संदर्भित करता है।
उच्च गुणवत्ता वाला पेट्रोलियम कोक, जो देरी से कोक बनाने की प्रक्रिया द्वारा उत्पादित होता है, रोटरी भट्टि में कैल्सीन किया जाता है, जिससे आर्द्रता और वाष्पशील पदार्थ में काफी कमी आती है, और यह परिवहन और भंडारण के लिए अधिक सुविधाजनक होता है। ग्राफिटाइजेशन प्रक्रिया के दौरान, ग्राफिटाइजेशन तापमान उच्च गुणवत्ता वाले पेट्रोलियम कोक के ग्राफिटाइजेशन डिग्री को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक होता है।

700 ~ 1000 के रेंज में, तापमान जितना अधिक होगा, कार्बनयुक्त नमूने की ग्रेफाइट परतों के बीच की जगह उतनी ही छोटी होगी, नमूने की संरचना का क्रम बढ़ेगा, इस कोक के चरण को नरम कार्बन कहा जा सकता है। इस तापमान पर इलाज किए गए नमूने की प्रारंभिक धारिता ग्रेफाइट की थ्योरिटिकल धारिता 340 mAh/g से अधिक है। हालांकि, सुई जैसी पेट्रोलियम कोक से बने लिथियम आयन बैटरी एनोड सामग्री के लिए स्थिर चार्ज और डिस्चार्ज पोटेंशियल प्राप्त करना कठिन है।

2800 पर सुई जैसी पेट्रोलियम कोक और पिच कोक के ग्रेफिटाइजेशन के बाद, यह पाया गया कि 40 बार चार्ज और डिस्चार्ज करने के बाद ग्रेफिटाइज्ड सुई जैसी पेट्रोलियम कोक की लिथियम धारिता 301mAh/g पर स्थिर रह सकती है, जबकि ग्रेफिटाइज्ड पिच कोक केवल 240mAh/g है। यह इस कारण से है कि सुई जैसी पेट्रोलियम कोक का कच्चा माल शुद्ध होता है, और कोकिंग प्रक्रिया में विस्तृत क्षेत्र की मेसोफेज बन सकती है। अंततः, सुई जैसी पेट्रोलियम कोक का ग्रेफिटाइजेशन करना आसान होता है और ग्रेफिटाइजेशन की डिग्री उच्च होती है।

2. उच्च गुणवत्ता वाली पेट्रोलियम कोक की माइक्रोस्ट्रक्चर और लिथियम भंडारण तंत्र

(1) नरम कार्बन द्वारा प्रदर्शित, विभिन्न लिथियम भंडारण तंत्र हैं, जैसे ग्रेफाइट माइक्रोक्रिस्टल के इंटरलेमिनार लिथियम भंडारण, नरम कार्बन में नैनो-छिद्रों या दरारों द्वारा लिथियम भंडारण, और सतही दोषों या कार्बन सामग्री के अवशिष्ट कार्यात्मक समूहों के Li+ के साथ प्रतिक्रिया द्वारा उत्पन्न ठोस इलेक्ट्रोलाइट फिल्म (SEI) आदि।

(2) दूसरी प्रकार, कृत्रिम ग्रेफाइट द्वारा प्रदर्शित, मुख्य रूप से लिथियम ग्रेफाइट का इंटरलेयर भंडारण है, इसलिए पहली क्षमता नरम कार्बन से छोटी होगी।

संक्षेप में, ग्रेफिटाइजेशन तापमान का अंतिम प्रभाव उच्च गुणवत्ता वाली पेट्रोलियम कोक और अन्य कार्बन सामग्रियों की आंतरिक संरचना पर निर्भर करता है। यदि सामग्री की आंतरिक संरचना अधिक व्यवस्थित और ग्रेफिटाइजेशन के लिए आसान है, तो अंतिम नेगेटिव इलेक्ट्रोड क्षमता अधिक होगी और चक्र दक्षता बेहतर होगी। हालांकि, उच्च ग्रेफिटाइज्ड कार्बन सामग्रियों में उच्च धारिता और स्थिर चार्ज-डिस्चार्ज प्लेटफॉर्म होते हैं, लेकिन उनकी चक्र प्रदर्शन और निम्न तापमान प्रदर्शन खराब होते हैं। इसका कारण यह है कि जब Li+ ग्रेफाइट परत में डाला जाता है, तो यह लैमलर ग्रेफाइट के साथ ग्रेफाइट इंटरलेयर यौगिक बनाता है, और ग्रेफाइट परत फैल जाती है। जब Li+ को बाहर निकाला जाता है, तो ग्रेफाइट अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। बार-बार फैलने और संकुचन की प्रक्रिया में, ग्रेफाइट परत की संरचना को नष्ट करना आसान होता है, और यह सॉल्वेंट के सह-संलग्नता का कारण बन सकता है, जिससे नेगेटिव इलेक्ट्रोड का चक्र प्रदर्शन घटता है। इसलिए, उच्च गुणवत्ता वाली पेट्रोलियम कोक जैसी कार्बन सामग्रियों के ग्रेफिटाइजेशन प्रक्रिया में ग्रेफिटाइजेशन की डिग्री को नियंत्रित किया जाना चाहिए, और माइक्रोक्रिस्टल के बीच कुछ अमोर्फस संरचनाओं की आवश्यकता होती है ताकि एक निश्चित संरचनात्मक शक्ति को बनाए रखा जा सके।

3. नरम कार्बन को लिथियम आयन बैटरी के एनोड सामग्री के रूप में

साधारण लिथियम-आयन बैटरियों से अलग, पावर लिथियम-आयन बैटरियों को चार्जिंग समय को कम करने के लिए उच्चतम दर प्रदर्शन, विभिन्न कार्य वातावरण को पूरा करने के लिए अच्छे निम्न तापमान प्रदर्शन, बैटरी के आकार को कम करने के लिए बड़ी धारिता, और सुरक्षा समस्याओं को रोकने के लिए बेहतर स्थिरता की आवश्यकता होती है।
नरम कार्बन को एनोड सामग्री के रूप में पहली बार कम दक्षता और कोई स्थिर वोल्टेज प्लेटफ़ॉर्म नहीं है। अल्कांटारा आदि पहली चक्र की कम दक्षता के लिए दो स्पष्टीकरण प्रदान करते हैं:
(1) Li+ और कम तापमान वाले अलिफैटिक हाइड्रोकार्बन प्रतिक्रिया में कोक में अपरिवर्तनीय परिवर्तन होते हैं;
(2) ली + कोक के उजागर किनारे में ग्रेफाइट के टुकड़ों के साथ अपरिवर्तनीय रूप से बंधता है। पहले चक्र की कम दक्षता के अलावा, परतों के बीच अंतराल के कारण, चार्ज और डिस्चार्ज वोल्टेज पिछड़ जाएगा और इलेक्ट्रोड अस्थिर हो जाएगा। हालांकि, नरम कार्बन एनोड सामग्री का लाभ यह है कि काम करने वाला वोल्टेज अपेक्षाकृत अधिक है, जो शॉर्ट सर्किट और अन्य समस्याओं के कारण लिथियम धातु के अवक्षेपण के सुरक्षित उपयोग को रोक सकता है। दूसरे, लागत कम है, और उच्च तापमान ग्रेफाइटीकरण की आवश्यकता नहीं है।

4. निष्कर्ष और दृष्टिकोण

लिथियम आयन बैटरी एनोड सामग्री के लिए उपयुक्त पेट्रोलियम कोक, S, O और अन्य हेटेरोएटम सामग्री की मात्रा कम है, ग्रेफाइटकरण के लिए आसान है, और उचित कण आकार वितरण और छोटी सतह क्षेत्र जैसे गुण होने चाहिए। कैल्सिन की गई उच्च गुणवत्ता वाली पेट्रोलियम कोक और अन्य नरम कार्बन सामग्री कम तापमान और दर प्रदर्शन में उत्कृष्ट प्रदर्शन करती हैं, जो उन्हें लिथियम आयन बैटरी एनोड सामग्री के क्षेत्र में अधिक ध्यान आकर्षित करती है, लेकिन चक्र दक्षता और स्थिरता की समस्याएं अभी भी हल होने की आवश्यकता है।
कैल्सिनेशन और ग्रेफाइटकरण उच्च गुणवत्ता वाली पेट्रोलियम कोक की आंतरिक संरचना को बदल सकता है, और फिर इसे एनोड सामग्री के रूप में इसके इलेक्ट्रोकैमिकल प्रदर्शन को बदल सकता है। हालांकि, ग्रेफाइटेड सामग्री को अच्छी साइक्लिंग, मेग्नीफिकेशन और उच्च मात्रा के गुणों को प्रदर्शित करने के लिए सामग्री इंजीनियरिंग विधियों का उपयोग करके अपग्रेड करने की आवश्यकता है।
भविष्य में पेट्रोलियम कोक एनोड सामग्री के तीन विकास रुझान हैं:
(1) कोक संरचना और इसके प्रभावशीलता कारकों की गहरी समझ प्राप्त करना, ताकि उच्च क्षमता, उच्च दर प्रदर्शन लिथियम आयन बैटरी की दिशा में अनुकूलित तैयारी का उद्देश्य प्राप्त किया जा सके;
(2) नए मिश्रित कोक एनोड सामग्री का विकास और व्यापारिक अनुप्रयोग;
(3) नए पेट्रोलियम कोक एनोड सामग्री का विकास, जिसमें पेट्रोलियम कोक आधारित कार्बन नैनोएनोड सामग्री की बैच तैयारी, और नए बैटरी सिस्टम के साथ मेल खाने वाले नए कोक एनोड और कैथोड सामग्री शामिल हैं।