Zastosowanie koksu naftowego jako materiału anodowego

2025-03-26

Bateria litowo-jonowa to recyklingowe urządzenie do przechowywania energii, znane również jako wtórna bateria litowo-jonowa, które składa się z elektrody dodatniej, elektrody ujemnej, przegrody i systemu cieczy elektrolitycznej. Ten typ baterii charakteryzuje się wysoką gęstością energii w porównaniu do innych baterii pierwotnych, brakiem efektu pamięci i niskim samorozładowaniem. Materiał anody baterii litowo-jonowej dzieli się głównie na grafit sztuczny i grafit naturalny. Surowcem do grafitu sztucznego jest głównie koks naftowy i węglowy.

Wysokiej jakości koks naftowy, reprezentowany przez koks naftowy acikularny, ma szereg zalet, takich jak niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, niska porowatość, niski poziom siarki, niska zawartość popiołu, niska zawartość metali, wysoka przewodność i łatwość grafityzacji, dlatego jest uważany za wysokiej jakości materiały anodowe do baterii litowo-jonowych.

Wysokiej jakości koks naftowy jest używany jako materiał anodowy do baterii litowo-jonowych, co zazwyczaj wymaga oczyszczania, kruszenia, przesiewania cząstek, grafityzacji, modyfikacji powierzchni i innych procesów. Cały proces jest stosunkowo długi, a ostateczny efekt jest bardziej wpływowy na czynniki. Niektóre z największych obaw to:
(1) Mechanizm zmiany struktury węgla w zależności od temperatury;
(2) Związek między właściwościami materiałów anodowych a strukturą materiałów węglowych;
(3) Czy istnieją odpowiednie materiały węglowe, które spełniają potrzeby materiałów anodowych dla baterii litowo-jonowych?

1. Wpływ temperatury obróbki końcowej wysokiej jakości koksu naftowego na jego właściwości

Obróbka cieplna wysokiej jakości koksu naftowego dzieli się na dwa etapy: kalcynację i grafityzację w wysokiej temperaturze. Kalcynacja odnosi się do procesu kalcynacji poniżej 1500, a grafityzacja w wysokiej temperaturze odnosi się do procesu obróbki w wysokiej temperaturze bliskiej 3000.
Wysokiej jakości koks naftowy produkowany w procesie opóźnionego koksowania jest kalcynowany w piecu obrotowym, co znacząco redukuje wilgoć i substancje lotne, a także ułatwia transport i przechowywanie. W trakcie procesu grafityzacji temperatura grafityzacji jest kluczowym czynnikiem wpływającym na stopień grafityzacji wysokiej jakości koksu naftowego.

W zakresie 700 ~ 1000, im wyższa temperatura, tym mniejsza odległość między warstwami grafitu w próbce karbonizowanej, co zwiększa porządek strukturalny próbki, ten okres koksu można nazwać miękkim węglem. Początkowa pojemność próbki poddanej obróbce w tej temperaturze jest wyższa niż teoretyczna pojemność grafitu wynosząca 340 mAh/g. Jednak trudno jest uzyskać stabilny potencjał ładowania i rozładowania dla materiałów anodowych baterii litowo-jonowych wykonanych z koksu naftowego w postaci igieł.

Po grafityzacji koksu naftowego w postaci igieł i koksu smołowego w temperaturze 2800 stwierdzono, że grafityzowany koks naftowy w postaci igieł po wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu 40 razy, jego pojemność litowa może być stabilna na poziomie 301 mAh/g, podczas gdy grafityzowany koks smołowy wynosi tylko 240 mAh/g. Dzieje się tak, ponieważ surowiec koksu naftowego w postaci igieł jest oczyszczany, a w procesie koksowania może powstać szeroka mezofaza. Ostatecznie koks naftowy w postaci igieł jest łatwiejszy do grafityzacji, a stopień grafityzacji jest wyższy.

2. Mikrostruktura i mechanizm magazynowania litu w wysokiej jakości koksie naftowym

(1) Reprezentowany przez miękki węgiel, istnieją różne mechanizmy magazynowania litu, takie jak magazynowanie litu w warstwach mikrokryształów grafitu, magazynowanie litu przez nano-otwory lub pęknięcia w miękkim węglu oraz film elektrolitu stałego (SEI) powstający w wyniku reakcji defektów powierzchniowych lub pozostałych grup funkcyjnych materiałów węglowych z Li+, itd.

(2) Drugi rodzaj, reprezentowany przez grafit sztuczny, to głównie magazynowanie litu w warstwach grafitu, więc pierwsza pojemność będzie mniejsza niż w przypadku miękkiego węgla.

Podsumowując, ostateczny efekt temperatury grafityzacji zależy od wewnętrznej struktury wysokiej jakości koksu naftowego i innych materiałów węglowych. Jeśli wewnętrzna struktura materiału jest bardziej uporządkowana i łatwiejsza do grafityzacji, ostateczna pojemność elektrody ujemnej jest wyższa, a wydajność cyklu jest lepsza. Jednak chociaż wysoko grafityzowane materiały węglowe mają wysoką pojemność i stabilną platformę ładowania-rozładowania, ich wydajność cyklu i wydajność w niskich temperaturach są słabe. Dzieje się tak, ponieważ gdy Li+ wnika do warstwy grafitu, tworzy związek międzywarstwowy grafitu z grafitem warstwowym, a warstwa grafitu się rozszerza. Gdy Li+ jest wypychany, grafit wraca do swojego pierwotnego stanu. W procesie powtarzającego się rozszerzania i kurczenia się struktura warstwy grafitu jest łatwa do zniszczenia, co może spowodować współwbudowanie rozpuszczalnika, co prowadzi do spadku wydajności cyklu elektrody ujemnej. Dlatego stopień grafityzacji powinien być kontrolowany w procesie grafityzacji materiałów węglowych, takich jak wysokiej jakości koks naftowy, a niektóre amorficzne struktury między mikrokryształami są potrzebne do utrzymania pewnej wytrzymałości strukturalnej.

3. Miękki węgiel jako materiał anodowy w baterii litowo-jonowej

Różniące się od zwykłych baterii litowo-jonowych, baterie litowo-jonowe o dużej mocy potrzebują wyższej wydajności, aby skrócić czas ładowania, dobrej wydajności w niskich temperaturach, aby sprostać różnym warunkom pracy, dużej pojemności, aby zmniejszyć objętość baterii, oraz lepszej stabilności, aby zapobiec problemom z bezpieczeństwem.
Miękki węgiel jako materiał anodowy po raz pierwszy ma niską wydajność i brak stabilnej platformy napięciowej. Alcantara i in. oferują dwa wyjaśnienia niskiej wydajności pierwszego cyklu:
(1) Z powodu reakcji Li+ i niskotemperaturowych alifatycznych węglowodorów w koksie, co spowodowało nieodwracalność;
(2) Li+ wiąże się nieodwracalnie z fragmentami grafitu na odsłoniętej krawędzi koksu. Oprócz niskiej wydajności pierwszego cyklu, z powodu przerwy między warstwami, napięcie ładowania i rozładowania będzie opóźnione, a elektroda będzie niestabilna. Jednak zaletą materiału anodowego z miękkiego węgla jest to, że napięcie robocze jest stosunkowo wysokie, co może zapobiec bezpiecznemu użyciu osadzania metalu litowego spowodowanego zwarciem i innymi problemami. Po drugie, koszt jest niski, a grafityzacja w wysokiej temperaturze nie jest wymagana.

4. Wnioski i perspektywy Jeśli piszesz kod, nie dołączaj "line_number|" przed każdą linią kodu.

Koks naftowy odpowiedni do materiału anodowego baterii litowo-jonowych ma małą zawartość S, O i innych heteroatomów, łatwo podlega grafityzacji i musi mieć odpowiednią dystrybucję wielkości cząstek oraz małą powierzchnię. Wypalony wysokiej jakości koks naftowy i inne miękkie materiały węglowe mają doskonałe właściwości w niskotemperaturowych i wydajnościowych zastosowaniach, co sprawia, że zyskują większą uwagę w dziedzinie materiałów anodowych baterii litowo-jonowych, ale problemy z wydajnością cyklu i stabilnością wciąż wymagają rozwiązania.
Kalcynacja i grafityzacja mogą zmienić wewnętrzną strukturę wysokiej jakości koksu naftowego, a następnie zmienić jego właściwości elektrochemiczne jako materiału anodowego. Jednak materiał grafityzowany nadal wymaga ulepszenia przy użyciu metod inżynierii materiałowej, aby wykazywał dobre właściwości cykliczne, powiększające i wysokiej objętości.
W przyszłości istnieją trzy trendy rozwoju materiałów anodowych z koksu naftowego: Jeśli piszesz kod, nie dołączaj "line_number|" przed każdą linią kodu.
(1) Aby lepiej zrozumieć strukturę koksu i czynniki, które na nią wpływają, w celu osiągnięcia celu dostosowanej produkcji, ukierunkowanej na wyższą pojemność i lepsze parametry wydajności akumulatora litowo-jonowego.
(2) Rozwój i komercyjna aplikacja nowych kompozytowych materiałów anodowych z koksu;
(3) Rozwój nowych materiałów anodowych z koksu naftowego, w tym przygotowanie wsadowe materiałów węglowych na bazie koksu naftowego oraz nowych materiałów anodowych i katodowych dopasowanych do nowych systemów baterii.