Classe de Material de Ânodo e Processo de Produção

2025-04-04

Materiais de ânodosão principalmente divididos em duas categorias: materiais de carbono e materiais não-carbono. Carbono refere-se a sistemas baseados em carbono, incluindo principalmente microesferas de mesocarbono, grafite artificial, grafite natural e carbono duro. No momento, os materiais de carbono mais amplamente utilizados são os materiais de ânodo de grafite, entre os quais o grafite artificial e o grafite natural têm aplicações industriais em grande escala. Os materiais não-carbono incluem principalmente materiais à base de silício, materiais à base de estanho, titanatos de lítio, etc. Entre eles, os materiais de ânodo à base de silício são os principais objetos de pesquisa dos principais fabricantes de materiais de ânodo atualmente, e são um dos novos materiais de ânodo que têm maior probabilidade de serem aplicados em grande escala no futuro.

Processamento de Grafite Natural

O material de ânodo de grafite natural é grafite em flocos natural como matéria-prima, apósmoagem, classificação, esferonização,purificação, tratamento de superfície e outros processos preparados a partir do material catódico.

Processo de Preparação de Material de Ânodo de Grafite Artificial

O processo de fabricação de grafite artificial pode ser dividido em quatro etapas, mais de dez pequenos procedimentos, granulação e grafitização são a chave.

O processo de produção de material de ânodo de grafite artificial pode ser dividido em quatro etapas:

1) pré-tratamento

2) granulação

3) grafitização

4) moagem em bola e triagem.

Entre as quatro etapas, a britagem e triagem são relativamente simples, enquanto a granulação e grafitização são os dois elos que refletem o limite técnico e o nível de produção da indústria do ânodo.

Especificamente em relação ao processo de produção, inicialmente, um ou mais dos seguintes: coque e partículas condutivas, nanotubos de carbono, negro de carbono, negro de acetileno são pré-misturados, e então o material misturado e o carbono são sinterizados e revestidos uma vez, e as partículas preparadas são grafitizadas. Materiais grafitados e materiais de resina para revestimento secundário; Tratamento de superfície com solvente, centrifugação, precipitação e outros métodos para separar partículas sólidas do solvente, e então carbonização, partículas de 5-20um, para obter um material de ânodo de carbono de alta taxa. Nesse método, através da mistura e fabricação de partículas, as partículas são revestidas duas vezes para preencher a casca interior do material, de modo que a estrutura interna do material se torne estável, permitindo que o material de ânodo de carbono possua as vantagens de desempenho de alta taxa, compactação em alta pressão, alta capacidade específica, entre outras.

(1) Pré-processamento

O material bruto de grafite (coque de agulha ou coque de petróleo) é misturado com aglutinante para moagem a ar (britagem). De acordo com os diferentes produtos, os materiais brutos de grafite e adesivo (grafitização) são misturados em diferentes proporções, a proporção de mistura é 100 :(5~20), o material é alimentado através da máquina de alimentação a vácuo para o funil, e em seguida, do funil para o moinho de fluxo de ar para moagem a ar, moendo os materiais auxiliares e brutos com diâmetro de 5~10mm até 5-10 micrômetros. Após a moagem a ar, um coletor de poeira por ciclone é usado para coletar os materiais com o tamanho de partícula necessário, a taxa de coleta de poeira é de cerca de 80%, os gases residuais são filtrados pelo filtro do núcleo e descarregados, a eficiência de remoção de poeira é superior a 99%. O material do elemento filtrante é o tecido filtrante com poros inferiores a 0,2 micrômetros, que pode interceptar toda a poeira acima de 0,2 micrômetros. O sistema de controle do ventilador está em estado de pressão negativa.

Diferença: O moinho de pré-tratamento é dividido em moinho mecânico e moinho a jato, sendo que o moinho a jato é o principal no momento. Existem mais tipos de adesivos, como asfalto de petróleo, asfalto de carvão, resina fenólica ou resina epóxi.

(2) Granulação/Granulação Secundária

Granulação é uma etapa chave no processamento de grafite artificial. A granulação é dividida em processo de pirólise e processo de moagem a bola.

Processo de Pirólise: o material intermediário 1 é colocado no reator de reação e aquecido eletricamente de acordo com uma determinada curva de temperatura em atmosfera de gás inerte e sob uma certa pressão. É agitado a 200-300 ℃ por 1-3h e, em seguida, aquecido a 400-500℃ para obter o material com um tamanho de partícula de 10-20mm. O material é resfriado e descarregado, ou seja, o material intermediário

2. Divisão de trabalho entre moinho de bolas e peneira: alimentação a vácuo, transporte do material intermediário 2 para o moinho de bolas para moagem mecânica, moendo o material de 10~20mm em material com tamanho de partícula de 6~10 microns, e peneirando para obter o material intermediário

3. O material na tela é transportado de volta para o moinho de bolas por tubo a vácuo para moagem.

O tamanho, distribuição e morfologia das partículas de grafite afetam muitas propriedades dos materiais ânodo. Em geral, quanto menor o tamanho da partícula, melhor o desempenho em taxa e vida útil do ciclo, mas a eficiência inicial e a densidade de compactação (afetando a densidade de energia em volume e a capacidade específica) são piores, e vice-versa. Uma distribuição de tamanho de partícula razoável (misturando partículas grandes com pequenas partículas, processo posterior) pode melhorar a capacidade específica do eletrodo negativo. A morfologia da partícula também tem grande influência no desempenho em taxa e em baixa temperatura.

Granulação Secundária: partículas pequenas têm grande área superficial específica, mais canais e caminhos mais curtos para a migração de íons de lítio, bom desempenho em taxa, e partículas grandes têm alta densidade de compactação e grande capacidade. Como levar em conta as vantagens de partículas grandes e pequenas, e alcançar alta capacidade e alta taxa ao mesmo tempo? A resposta é adotar a granulação secundária. Usando material de base, como coque de petróleo de grão pequeno e coque de agulha, adicionando materiais de revestimento e aditivos, sob a condição de agitação em alta temperatura, controlando a proporção de material, curva de aumento de temperatura e velocidade de agitação, o material de base de grão pequeno pode ser granulado duas vezes, e o produto com maior tamanho de grão pode ser obtido. Comparado ao produto de mesmo tamanho de partícula, a granulação secundária pode efetivamente melhorar o desempenho de retenção de líquido do material e reduzir o coeficiente de expansão do material (existem buracos côncavos entre partículas pequenas e pequenas), encurtar o caminho de difusão dos íons de lítio, melhorar o desempenho em taxa, mas também melhorar o desempenho em alta e baixa temperatura e o desempenho de ciclagem do material.

Diferenças: O processo de granulação secundária tem altas barreiras, muitos tipos de materiais de revestimento e aditivos, e é propenso a problemas como revestimento desigual ou desprendimento do revestimento, ou efeito de revestimento ruim, etc. É um processo importante para grafite artificial de alta qualidade.

(3) Grafitização

Grafitização é a transformação ordenada de átomos de carbono termodinamicamente instáveis de uma estrutura de camada caótica para uma estrutura cristalina de grafite por ativação térmica. Portanto, o tratamento térmico de alta temperatura (HTT) é utilizado no processo de grafitização para fornecer energia para o rearranjo atômico e a transformação estrutural. Para melhorar o grau de grafitização de materiais refratários de carbono, também podem ser adicionados catalisadores.

Para obter um melhor efeito de grafitização, três aspectos precisam ser considerados:

1. Dominar o método de carregamento de materiais resistores e materiais no forno (carregamento horizontal, carregamento vertical, deslocamento e carregamento misto, etc.), e poder ajustar a distância entre os materiais de acordo com o desempenho diferente dos materiais resistores;

2. De acordo com a capacidade e as especificações do produto do forno de grafitização, diferentes curvas de potência são utilizadas para controlar a taxa de aumento e diminuição no processo de grafitização;

3. Em circunstâncias específicas, adicionar catalisador nos ingredientes, melhorando o grau de grafitização, ou seja, “grafitização catalítica”.

Diferenças: Diferentes qualidades de grafite artificial têm diferentes taxas de aquecimento e resfriamento, tempo de espera, catalisadores, etc. Espera-se que os tipos de fornos de grafitização utilizados sejam diferentes, resultando em diferenças relativamente grandes em desempenho e custo. A grafitização isolada dos processos de frente e de fundo, especialmente o processo de aquecimento e resfriamento, é basicamente programada, mas o tempo de grafitização é longo e o investimento em equipamentos é grande, portanto, mais processamento terceirizado é necessário, e não há risco de vazamento de tecnologia.

(4) Carbonização Revestida

Carbonização revestida: A carbonização revestida utiliza um material de carbono semelhante ao grafite como "núcleo", e reveste uma camada de material de carbono amorfo uniforme em sua superfície para formar partículas semelhantes a uma estrutura de “núcleo-casca”. Os precursores dos materiais de carbono amorfo comumente utilizados incluem materiais de carbono de pirólise de baixa temperatura, como resina fenólica, alcatrão e ácido cítrico. O espaçamento intercamada dos materiais de carbono amorfo é maior do que o do grafite, o que pode melhorar o desempenho de difusão de íons de lítio nele. Filme SEI, melhorar o primeiro efeito, a vida útil do ciclo, etc.

Diferenças: Diferentes fabricantes escolhem diferentes precursores e diferentes procedimentos de calefação, de modo que a espessura e a uniformidade da camada de revestimento também sejam diferentes, portanto, o custo e o desempenho do produto também serão diferentes.

(5) Triagem/Dopagem

Os materiais grafitizados são transportados para o moinho de bolas por vácuo e, em seguida, passam por mistura física e moagem em bolas. Eles são peneirados com um filtro molecular de 270 mesh, e o material sob a peneira é inspecionado, medido, embalado e armazenado. O material na peneira é moído mais uma vez para atender aos requisitos de tamanho de partícula e, em seguida, peneirado.

Modificação por dopagem: O método de modificação por dopagem é mais flexível e os elementos dopantes são diversos. No momento, os pesquisadores estão ativamente pesquisando esse método. A dopagem de elementos não carboníferos no grafite pode mudar o estado eletrônico do grafite, tornando mais fácil a obtenção de elétrons, aumentando assim ainda mais a intercalção de íons de lítio. Por exemplo, a dopagem bem-sucedida de átomos de fósforo e boro na superfície do grafite e a formação de ligações químicas com eles ajudam a formar um denso filme SEI, que melhorou efetivamente a vida útil do ciclo e o desempenho da taxa do grafite. A dopagem de diferentes elementos no material de grafite tem diferentes efeitos de otimização em seu desempenho eletroquímico. Entre eles, a adição de elementos (Si, Sn) que também possuem a capacidade de armazenar lítio pode melhorar significativamente a capacidade específica dos materiais anódicos de grafite.