Aplikasi Koker Minyak sebagai Bahan Anoda

2025-03-26

Baterai lithium-ion adalah perangkat penyimpanan energi yang dapat didaur ulang, juga dikenal sebagai baterai sekunder lithium-ion, yang terdiri dari elektroda positif, elektroda negatif, diafragma, dan sistem cairan elektrolit. Jenis baterai ini ditandai dengan densitas energi yang tinggi dibandingkan dengan baterai primer lainnya, tidak memiliki efek memori, dan memiliki pengosongan diri yang rendah. Agregat bahan anoda baterai lithium-ion terutama dibagi menjadi grafit buatan dan grafit alami. Bahan baku grafit buatan terutama terdiri dari minyak dan koker jarum batubara.

Koker minyak berkualitas tinggi, yang diwakili oleh koker minyak akicular, memiliki serangkaian keuntungan seperti koefisien ekspansi termal yang rendah, void rendah, belerang rendah, abu rendah, kandungan logam rendah, konduktivitas tinggi, dan mudah untuk digrafitasi, sehingga dianggap sebagai bahan anoda berkualitas tinggi untuk baterai lithium-ion.

Koker minyak berkualitas tinggi digunakan sebagai bahan anoda untuk baterai lithium-ion, yang umumnya memerlukan proses pemurnian, penghancuran, penyaringan ukuran partikel, penggrafitasi, modifikasi permukaan, dan proses lainnya. Seluruh proses ini relatif panjang, dan efek akhirnya dipengaruhi oleh lebih banyak faktor. Beberapa kekhawatiran terbesar adalah:
(1) Mekanisme perubahan struktur karbon dengan suhu;
(2) Hubungan antara sifat material anoda dan struktur material karbon;
(3) Apakah ada material karbon yang sesuai untuk memenuhi kebutuhan material anoda untuk baterai ion lithium?

1. Pengaruh suhu perlakuan pasca pemanasan pada kinerja kokas minyak bumi berkualitas tinggi

Perlakuan pasca pemanasan pada kokas minyak bumi berkualitas tinggi dibagi menjadi dua tahap: kalsinasi dan grafitisasi suhu tinggi. Kalsinasi mengacu pada proses kalsinasi di bawah 1500, dan grafitisasi suhu tinggi mengacu pada proses perlakuan suhu tinggi mendekati 3000.
Kokas minyak bumi berkualitas tinggi yang dihasilkan oleh proses pengkokasan terund delayed dikalsinasi dalam tungku putar, yang secara signifikan mengurangi kelembaban dan bahan volatiles, dan lebih nyaman untuk transportasi dan penyimpanan. Selama proses grafitisasi, suhu grafitisasi adalah faktor kunci yang mempengaruhi derajat grafitisasi kokas minyak bumi berkualitas tinggi.

Dalam rentang 700 ~ 1000, semakin tinggi suhunya, semakin kecil jarak lapisan grafit dari sampel terkarbonisasi, peningkatan struktur keteraturan dari sampel, periode kokas ini dapat disebut karbon lunak. Kapasitansi awal dari sampel yang diperlakukan pada suhu ini lebih tinggi daripada kapasitansi teoritis grafit yaitu 340 mAh/g. Namun, sulit untuk mendapatkan potensi pengisian dan pengosongan yang stabil untuk material anoda baterai ion lithium yang terbuat dari kokas minyak bumi yang berbentuk jarum.

Setelah grafitisasi kokas minyak bumi akikular dan kokas pitch pada 2800, ditemukan bahwa kokas minyak bumi akikular yang telah digrafitisasi setelah pengisian dan pengosongan bertubi-tubi sebanyak 40 kali, kapasitas litiumnya dapat stabil pada 301mAh/g, sementara kokas pitch yang digrafitisasi hanya 240mAh/g. Ini karena bahan baku kokas minyak bumi akikular telah dimurnikan, dan fase meso area lebar dapat terbentuk dalam proses pengkokasan. Akhirnya, kokas minyak bumi akikular lebih mudah untuk digrafitisasi dan derajat grafitisasinya lebih tinggi.

2. Mikrostruktur dan mekanisme penyimpanan lithium dari kokas minyak bumi berkualitas tinggi

(1) Diwakili oleh karbon lunak, terdapat berbagai mekanisme penyimpanan lithium, seperti penyimpanan lithium interlaminar dari mikrokrystal grafit, penyimpanan lithium oleh nano-pori atau retakan dalam karbon lunak, dan film elektrolit padat (SEI) yang dihasilkan oleh reaksi cacat permukaan atau sisa gugus fungsi dari material karbon dengan Li+, dll.

(2) Jenis kedua, diwakili oleh grafit buatan, terutama adalah penyimpanan lithium interlayer dari grafit, sehingga kapasitas yang pertama akan lebih kecil daripada karbon lunak.

Singkatnya, efek akhir dari suhu grafitisasi adalah struktur internal kokas minyak bumi berkualitas tinggi dan material karbon lainnya. Jika struktur internal bahan lebih teratur dan lebih mudah untuk digrafitisasi, kapasitas elektroda negatif akhir lebih tinggi dan efisiensi siklus lebih baik. Namun, meskipun material karbon yang sangat digrafitisasi memiliki kapasitas tinggi dan platform pengisian-pengosongan yang stabil, kinerja siklus dan kinerja suhu rendahnya buruk. Ini karena ketika Li+ disisipkan ke dalam lapisan grafit, ia membentuk senyawa interlayer grafit dengan grafit lapis, dan lapisan grafit mengembang. Ketika Li+ diekstrusi, grafit kembali ke keadaan semula. Dalam proses ekspansi dan kontraksi yang berulang, struktur lapisan grafit mudah hancur, dan dapat menyebabkan penyisipan pelarut, sehingga kinerja siklus elektroda negatif menurun. Oleh karena itu, derajat grafitisasi harus dikendalikan dalam proses grafitisasi material karbon seperti kokas minyak bumi berkualitas tinggi, dan beberapa struktur amorf antara mikrokrystal diperlukan untuk mempertahankan kekuatan struktural tertentu.

3. Karbon lunak sebagai bahan anoda baterai lithium ion

Berbeda dari baterai lithium ion biasa, baterai lithium ion daya memerlukan kinerja laju yang lebih tinggi untuk memperpendek waktu pengisian, kinerja suhu rendah yang baik untuk memenuhi berbagai lingkungan kerja, kapasitas besar untuk mengurangi volume baterai, dan stabilitas yang lebih baik untuk mencegah masalah keamanan.
Karbon lunak sebagai bahan anoda untuk pertama kalinya memiliki efisiensi rendah dan tidak ada platform tegangan stabil. Alcantara et al. memberikan dua penjelasan untuk efisiensi rendah dari siklus pertama:
(1) Karena reaksi Li+ dan hidrokarbon alifatik suhu rendah dalam kokas yang menyebabkan tidak dapat diubah;
(2) Li+ terikat secara tidak dapat diubah dengan fragmen grafit di tepi kokas yang terbuka. Selain efisiensi rendah dari siklus pertama, karena celah antara lapisan, tegangan pengisian dan pengosongan akan tertinggal dan elektroda akan tidak stabil. Namun, keuntungan dari bahan anoda karbon lunak adalah bahwa tegangan kerja relatif tinggi, yang dapat mencegah penggunaan aman pengendapan logam lithium yang disebabkan oleh hubungan pendek dan masalah lainnya. Kedua, biayanya rendah, dan tidak memerlukan grafitisasi suhu tinggi.

4. Kesimpulan dan prospek

Kokas minyak yang cocok untuk bahan anoda baterai lithium ion S, O dan kandungan heteroatom lainnya kecil, mudah untuk grafitisasi, dan perlu memiliki distribusi ukuran partikel yang sesuai dan luas permukaan kecil, dll. Kokas minyak berkualitas tinggi yang dikalsinasi dan bahan karbon lunak lainnya memiliki kinerja yang sangat baik dalam suhu rendah dan kinerja laju, yang membuatnya lebih mendapat perhatian di bidang bahan anoda baterai lithium ion, tetapi masalah efisiensi siklus dan stabilitas masih perlu dipecahkan.
Kalsinasi dan grafitisasi dapat mengubah struktur internal kokas minyak berkualitas tinggi, dan kemudian mengubah kinerja elektro-kimiahnya sebagai bahan anoda. Namun, bahan yang sudah digrafitasi masih perlu ditingkatkan menggunakan metode rekayasa bahan untuk menunjukkan sifat siklus, pembesaran, dan volume yang baik.
Ada tiga tren pengembangan bahan anoda kokas minyak di masa depan:
(1) Memiliki pemahaman yang lebih dalam tentang struktur kokas dan faktor-faktor yang mempengaruhinya, sehingga dapat mencapai tujuan preparasi yang disesuaikan, yang diarahkan untuk kapasitas lebih tinggi, kinerja laju yang lebih tinggi pada baterai lithium ion;
(2) Pengembangan dan aplikasi komersial bahan anoda kokas komposit baru;
(3) Pengembangan bahan anoda kokas minyak baru, termasuk preparasi batch bahan nanoanoda berbasis kokas minyak, dan bahan anoda dan katoda kokas baru yang sesuai dengan sistem baterai baru.