Klasifikasi dan proses produksi material anoda

2025-03-26

Material anoda dibagi menjadi dua kategori utama: material karbon dan material non-karbon. Karbon merujuk pada sistem berbasis karbon, yang terutama mencakup mikrosfer mesokarbon, grafit buatan, grafit alami, dan karbon keras. Saat ini, material karbon yang paling banyak digunakan adalah material anoda grafit, di mana grafit buatan dan grafit alami memiliki aplikasi industri skala besar. Material non-karbon terutama mencakup material berbasis silikon, material berbasis timah, litium titanat, dll. Di antara mereka, material anoda berbasis silikon adalah objek penelitian utama dari produsen material anoda besar saat ini, dan merupakan salah satu material anoda baru yang paling mungkin diterapkan secara besar-besaran di masa depan.

Proses grafit alami

Material anoda grafit alami adalah grafit flake alami sebagai bahan baku, setelah penggilingan, penggolongan, spheronisasi, pemurnian, perlakuan permukaan, dan proses lainnya disiapkan dari material katoda.

Proses persiapan material anoda grafit buatan

Proses pembuatan grafit buatan dapat dibagi menjadi empat langkah, lebih dari sepuluh prosedur kecil, granulasidan grafitasi adalah kunci. Proses produksi material anoda grafit buatan dapat dibagi menjadi empat langkah: 1) pra-perawatan 2) granulasi 3) grafitasi 4) penggilingan bola dan penyaringan. Di antara empat langkah tersebut, penghancuran dan penyaringan relatif sederhana, sedangkan granulasidan grafitasi adalah dua tautan yang mencerminkan ambang batas teknis dan tingkat produksi industri anoda.

Khusus untuk proses produksi, pertama-tama, satu atau lebih dari kokas dan partikel konduktif, nanotiup karbon, karbon hitam, karbon asetilena dicampur, kemudian bahan campuran dan karbon disinter dan dilapisi sekali, dan partikel yang disiapkan digrafitasi. Bahan yang digrafitasi dan bahan resin untuk pelapisan sekunder; Perlakuan permukaan dengan pelarut, sentrifugasi, pengendapan dan metode lainnya untuk memisahkan partikel padat dari pelarut, dan kemudian karbalisasi, partikel 5-20um, untuk memperoleh material anoda karbon dengan laju tinggi. Dalam metode ini, dengan mencampur dan memfabricasi partikel, partikel dilapisi dua kali untuk mengisi cangkang dalam material, sehingga struktur internal material stabil, sehingga material anoda karbon memiliki keunggulan kinerja laju tinggi, kompaksi tekanan tinggi, kapasitas spesifik tinggi, dan sebagainya.

(1) pra-pemrosesan

Bahan baku grafit (kokas jarum atau kokas minyak bumi) dicampur dengan bahan pengikat untuk penggilingan udara (penghancuran). Menurut produk yang berbeda, bahan baku grafit dan perekat (grafitisasi) sesuai dengan proporsi yang berbeda, rasio pencampuran adalah 100: (5 ~ 20), bahan melalui mesin pengumpan vakum ke dalam hopper, dan kemudian hopper ke pabrik aliran udara untuk penggilingan udara, menggiling diameter 5 ~ 10mm dari bahan baku dan tambahan hingga 5-10 mikron. Setelah penggilingan udara, pengumpul debu siklon digunakan untuk mengumpulkan bahan ukuran partikel yang diperlukan, tingkat pengumpulan debu sekitar 80%, gas ekor disaring oleh filter inti filter dan dibuang, efisiensi pembuangan debu lebih dari 99%. Bahan elemen filter adalah kain saring dengan pori-pori kurang dari 0,2 mikron, yang dapat mencegat semua debu di atas 0,2 mikron. Sistem kontrol kipas dalam keadaan tekanan negatif.

Perbedaan: pabrik prapemrosesan dibagi menjadi pabrik mekanis dan pabrik jet, saat ini yang paling umum adalah pabrik jet. Ada lebih banyak jenis perekat, seperti aspal petroleum, aspal batubara, resin fenolik atau resin epoksi.

（2）Granulasi/granulasi sekunder

Granulasi adalah langkah kunci dalam pemrosesan grafit buatan. Granulasi dibagi menjadi proses pirolisis dan proses penggilingan bola.

Proses pirolisis: bahan perantara 1 dimasukkan ke dalam reaktor reaksi dan dipanaskan secara elektrik sesuai dengan kurva suhu tertentu dalam atmosfer gas inert dan di bawah tekanan tertentu. Ini diaduk pada suhu 200-300 selama 1-3 jam dan kemudian dipanaskan hingga 400-500 untuk memperoleh bahan dengan ukuran partikel 10-20mm. Bahan tersebut didinginkan dan dibuang, yaitu bahan perantara 2. Pembagian tugas antara penggilingan bola dan ayakan: pengisian vakum, mengangkut bahan perantara 2 ke penggilingan bola untuk penggilingan bola mekanis, menggiling bahan 10~20mm menjadi bahan dengan ukuran partikel 6~10 mikron, dan menyaring untuk mendapatkan bahan perantara 3. Bahan yang ada di ayakan diangkut kembali ke penggilingan bola melalui pipa vakum untuk penggilingan bola.

Ukuran, distribusi dan morfologi partikel grafit mempengaruhi banyak properti bahan anoda. Secara umum, semakin kecil ukuran partikel, semakin baik kinerja laju dan siklus hidup, tetapi efisiensi awal dan kepadatan pemadatan (yang mempengaruhi kerapatan energi volume dan kapasitas spesifik) menjadi lebih buruk, dan sebaliknya. Distribusi ukuran partikel yang wajar (mencampur partikel besar dengan partikel kecil, proses selanjutnya) dapat meningkatkan kapasitas spesifik elektroda negatif. Morfologi partikel juga memiliki pengaruh besar pada kinerja laju dan kinerja suhu rendah.

Granulasi sekunder: partikel kecil memiliki luas permukaan spesifik yang besar, lebih banyak saluran dan jalur yang lebih pendek untuk migrasi ion litium, kinerja laju yang baik, dan partikel besar memiliki kepadatan pemadatan tinggi dan kapasitas besar. Bagaimana cara mempertimbangkan keuntungan dari partikel besar dan kecil, dan mencapai kapasitas tinggi dan laju tinggi pada saat yang sama? Jawabannya adalah dengan melakukan granulasi sekunder. Menggunakan bahan dasar seperti kokas petroleum butiran kecil dan kokas jarum, dengan menambahkan bahan pelapis dan aditif, di bawah kondisi pengadukan suhu tinggi, dengan mengontrol proporsi bahan, kurva kenaikan suhu dan kecepatan pengadukan, bahan dasar butiran kecil dapat digranulasi dua kali, dan produk dengan ukuran butiran yang lebih besar dapat diperoleh. Dibandingkan dengan produk dengan ukuran partikel yang sama, granulasi sekunder dapat secara efektif meningkatkan kinerja retensi cairan bahan dan mengurangi koefisien ekspansi bahan (ada lubang cekung antara partikel kecil dan partikel kecil), memperpendek jalur difusi ion litium, meningkatkan kinerja laju, tetapi juga meningkatkan kinerja suhu tinggi dan rendah serta kinerja siklus material.

Perbedaan: Proses granulasi sekunder memiliki hambatan tinggi, banyak jenis bahan pelapis dan aditif, dan rentan terhadap masalah seperti pelapisan yang tidak merata atau pengelupasan pelapis, atau efek pelapisan yang buruk, dll. Ini adalah proses penting untuk grafit buatan kelas tinggi.

（3）grafitisasi
Grafitisasi adalah transformasi teratur dari atom karbon yang tidak stabil secara termodinamik dari struktur lapisan yang kacau menjadi struktur kristal grafit melalui aktivasi termal. Oleh karena itu, perlakuan panas suhu tinggi (HTT) digunakan dalam proses grafitisasi untuk menyediakan energi untuk penyusunan ulang atom dan transformasi struktural. Untuk meningkatkan derajat grafitisasi bahan karbon tahan api, katalis juga dapat ditambahkan.

Untuk mendapatkan efek grafitisasi yang lebih baik, tiga aspek perlu dilakukan: 1. Kuasai metode pemuatan bahan resistansi dan bahan ke dalam tungku (pemuatan horizontal, pemuatan vertikal, dislokasi dan pemuatan campuran, dll.), dan dapat menyesuaikan jarak antara bahan sesuai dengan kinerja berbeda dari bahan resistansi; 2. Sesuai dengan kapasitas dan spesifikasi produk yang berbeda dari tungku grafitisasi, kurva daya yang berbeda digunakan untuk mengontrol laju kenaikan dan penurunan dalam proses grafitisasi; 3. Dalam kondisi tertentu, tambahkan katalis dalam bahan untuk meningkatkan derajat grafitisasi, yaitu “grafitisasi katalitik”.

Perbedaan: Kualitas grafit buatan yang berbeda memiliki laju pemanasan dan pendinginan, waktu penahanan, katalis, dll. yang berbeda. Diharapkan jenis tungku grafitisasi yang digunakan berbeda, menghasilkan perbedaan yang relatif besar dalam kinerja dan biaya. Grafitisasi terpisah dari proses hulu dan hilir, terutama proses pemanasan dan pendinginan, pada dasarnya diprogram, tetapi waktu grafitisasi panjang dan investasi peralatan besar, sehingga memerlukan lebih banyak pemrosesan outsourcing, dan tidak ada risiko kebocoran teknologi.
Karbonisasi berlapis: Karbonisasi berlapis menggunakan bahan karbon mirip grafit sebagai “inti”, dan melapisi lapisan bahan karbon amorf yang seragam di permukaannya untuk membentuk partikel mirip dengan struktur “inti-cangkang”. Prekursor bahan karbon amorf yang biasa digunakan termasuk bahan karbon pirolisis suhu rendah seperti resin fenolik, pitch, dan asam sitrat. Jarak antar lapisan bahan karbon amorf lebih besar daripada grafit, yang dapat meningkatkan kinerja difusi ion litium di dalamnya. Film SEI, meningkatkan efek pertama, usia siklus, dll.

Perbedaan: Produsen yang berbeda memilih prekursor yang berbeda dan prosedur pemanasan yang berbeda, sehingga ketebalan dan keseragaman lapisan pelapis juga berbeda, sehingga biaya dan kinerja produk juga akan berbeda.

(4) Penyaringan/doping
Bahan yang telah digrafitisasi diangkut ke penggiling bola dengan vakum, dan kemudian mengalami pencampuran fisik dan penggilingan bola. Bahan tersebut disaring dengan ayakan molekuler 270-mesh, dan bahan di bawah ayakan diperiksa, diukur, dikemas, dan disimpan. Bahan di atas ayakan digiling bola lebih lanjut untuk memenuhi persyaratan ukuran partikel dan kemudian disaring.

Modifikasi doping. Metode modifikasi doping lebih fleksibel dan elemen doping bervariasi. Saat ini, para peneliti aktif meneliti metode ini. Doping elemen non-karbon ke dalam grafit dapat mengubah keadaan elektronik grafit, sehingga lebih mudah untuk mendapatkan elektron, sehingga selanjutnya meningkatkan interkalasi ion litium. Misalnya, doping sukses atom fosfor dan boron ke permukaan grafit dan pembentukan ikatan kimia dengan mereka membantu membentuk film SEI yang padat, yang secara efektif meningkatkan usia siklus dan kinerja laju grafit. Doping elemen berbeda dalam bahan grafit memiliki efek optimisasi yang berbeda pada kinerja elektrokimia. Di antara mereka, penambahan elemen (Si, Sn) yang juga memiliki kemampuan untuk menyimpan litium dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas spesifik bahan anod grafit.