Clasificarea materialului anodic și procesul de producție

2025-04-04

Materialele anodice sunt împărțite în principal în două categorii: materiale pe bază de carbon și materiale non-carbon. Carbonul se referă la sistemele pe bază de carbon, incluzând în principal microsfere de mesocarbon, grafit artificial, grafit natural și carbon tare. În prezent, cele mai utilizate materiale pe bază de carbon sunt materialele anodice din grafit, dintre care grafitul artificial și grafitul natural au aplicații industriale la scară mare. Materialele non-carbon includ în principal materiale pe bază de siliciu, materiale pe bază de tină, titanat de litiu etc. Dintre acestea, materialele anodice pe bază de siliciu sunt principalele obiective de cercetare ale principalelor producători de materiale anodice în prezent și sunt unul dintre noile materiale anodice care au cele mai mari șanse de a fi aplicate la scară largă în viitor.

Prelucrarea grafitului natural

Materialul anodic din grafit natural este grafitul natural sub formă de fulgi ca materie primă, dupămăcinare, clasificare, sferoidizare, purificare, tratament de suprafață și alte procese pregătite din materialul catodic.

Procesul de Preparare a Materialului Anod de Grafit Artificial

Procesul de fabricare a grafitului artificial poate fi împărțit în patru etape, mai mult de zece proceduri mici, granulația și grafitizarea fiind cheia. 

Procesul de producție a materialului anod de grafit artificial poate fi împărțit în patru etape:

1) pregătire preliminară

2) granulație

3) grafitizare

4) măcinare și sortare.

 Dintre cele patru etape, zdrobirea și sortarea sunt relativ simple, iar granulația și grafitizarea sunt cele două etape care reflectă pragul tehnic și nivelul de producție al industriei anodului.

Specific pentru procesul de producție, mai întâi, unul sau mai multe dintre cocs și particule conductoare, nanotuburi de carbon, negru de carbon, negru de acetină sunt premixate, iar apoi materialul amestecat și carbonul sunt sinterizați și acoperiți o dată, iar particulele pregătite sunt grafitizate. Materialele grafitizate și materialele pe bază de rășină pentru acoperirea secundară; Tratamentul suprafeței cu solvent, centrifugare, precipitare și alte metode pentru a separa particulele solide de solvent, și apoi carbonizarea, particule de 5-20um, pentru a obține un material anod de carbon cu o rată mare. În această metodă, prin amestecarea și fabricarea particulelor, particulele sunt acoperite de două ori pentru a umple coaja interioară a materialului, astfel încât structura internă a materialului să fie stabilă, ceea ce face ca materialul anod de carbon să aibă avantajele performantelor la rate mari, compactare la presiuni mari, capacitate specifică mare și altele.

(1) Preprocesare

Materiile prime de grafit (cocs de ac și cocs de petrol) sunt amestecate cu un legant pentru măcinare în aer (zdrobire).În funcție de produsele diferite, materiile prime de grafit și adezivul (grafitizare) sunt utilizate în proporții diferite, raportul de amestec este de 100 :(5~20), materialul fiind introdus printr-o mașină de alimentare în vid în hopper, iar apoi hopperul în fluxul de aer pentru măcinare în aer, măcinând materialele brute și auxiliare cu un diametru de 5~10mm până la 5-10 microni. După măcinarea în aer, se utilizează un colector de praf cu ciclon pentru a colecta materialele de dimensiunea dorită a particulelor, rata de colectare a prafului fiind de aproximativ 80%, gazul rezidual fiind filtrat printr-un filtru cu miez și eliminat, eficiența de îndepărtare a prafului fiind mai mare de 99%. Materialul elementului filtrant este o țesătură filtrantă cu pori mai mici de 0,2 microni, care poate intercepta toate particulele de praf de peste 0,2 microni. Sistemul de control al ventilatorului este în stare de presiune negativă.

Diferență: măcinarea de preparare preliminară este împărțită în măcinare mecanică și măcinare prin jet, acum curentul de bază este măcinarea prin jet. Există mai multe tipuri de adezivi, cum ar fi asfaltul de petrol, asfaltul de cărbune, rășina fenolică sau rășina epoxidică.

(2) Granulație/Granulație Secundară

Granulația este o etapă cheie în procesarea grafitului artificial. Granulația este împărțită în procesul de piroliză și procesul de măcinare cu bile.

Procesul de Piroliză: materialul intermediar 1 este introdus în reactorul de reacție și este încălzit electric conform unei anumite curbe de temperatură într-o atmosferă de gaz inert și sub o anumită presiune. Este agitat la 200-300 ℃ timp de 1-3 ore și apoi răcit la 400-500℃ pentru a obține materialul cu o dimensiune a particulelor de 10-20mm. Materialul este răcit și eliminat, adică materialul intermediar.

2. Divizarea muncii între moara cu bile și sită: alimentare cu vacuum, transportul materialului intermediar 2 către moara cu bile pentru măcinarea mecanică a bilelor, măcinarea materialului de 10~20 mm în material de dimensiunea particulelor de 6~10 microni și sortarea pentru a obține material intermediar.

3. Materialul de pe sită este transportat înapoi la moara cu bile prin tubul de vacuum pentru măcinarea cu bile.

Dimensiunea, distribuția și morfologia particulelor de grafit afectează multe proprietăți ale materialelor anodice. În general, cu cât dimensiunea particulelor este mai mică, cu atât performanța la rată și durata de viață ciclică sunt mai bune, dar eficiența inițială și densitatea de compactare (care afectează densitatea energetică volumetrică și capacitatea specifică) sunt mai slabe, și viceversa. O distribuție rezonabilă a dimensiunii particulelor (amestecarea particulelor mari cu particule mici, procesul ulterior) poate îmbunătăți capacitatea specifică a electrodului negativ. Morfologia particulelor are, de asemenea, o mare influență asupra performanței la rată și la temperaturi scăzute.

Granulare secundară: particulele mici au o suprafață specifică mare, mai multe canale și căi mai scurte pentru migrarea ionilor de litiu, performanță bună la rată, iar particulele mari au o densitate de compactare ridicată și capacitate mare. Cum să luăm în considerare avantajele particulelor mari și mici și să atingem în același timp o capacitate mare și o rată mare? Răspunsul este să aplicăm granularea secundară. Folosind materialul de bază, cum ar fi cociul de petrol în granule mici și cociul de ac, prin adăugarea materialelor de acoperire și aditivilor, în condițiile agitației la temperaturi ridicate, prin controlul proporției materialului, curba de creștere a temperaturii și viteza de agitație, materialul de bază cu granule mici poate fi granulat de două ori, iar produsul cu dimensiuni mai mari ale granulelor poate fi obținut. Comparativ cu produsul de aceeași dimensiune a particulelor, granularea secundară poate îmbunătăți eficient performanța de retenție a lichidului a materialului și poate reduce coeficientul de expansiune al materialului (există gropi concave între particulele mici), poate scurta calea de difuzie a ionilor de litiu, îmbunătățind performanța la rată, dar îmbunătățește de asemenea performanța la temperaturi ridicate și scăzute și performanța în cicluri a materialului.

Diferențe: Procesul de granulare secundară are bariere ridicate, multe tipuri de materiale de acoperire și aditivi, și este predispus la probleme precum acoperirea inegală sau căderea acoperirii, sau efectul slab de acoperire etc. Este un proces important pentru grafitul artificial de înaltă calitate.

(3) Grafitizarea

Grafitizare este transformarea ordonată a atomilor de carbon termodinamic instabili dintr-o structură de strat haotic în structura cristalului de grafit prin activare termică. Prin urmare, tratamentul termic la temperaturi ridicate (HTT) este utilizat în procesul de grafitizare pentru a furniza energie pentru reorganizarea atomică și transformarea structurală. Pentru a îmbunătăți gradul de grafitizare al materialelor refractare pe bază de carbon, se pot adăuga și catalizatori.

Pentru a obține un efect de grafitizare mai bun, trebuie să fie realizate trei aspecte:

1. Stăpânirea metodei de încărcare a materialelor rezistente și a materialelor în cuptor (încărcare orizontală, încărcare verticală, dislocare și încărcare mixtă etc.) și se poate ajusta distanța dintre materiale în funcție de diferitele performanțe ale materialelor rezistente;

2. conform specificațiilor diferite de capacitate și produs ale cuptorului de grafitizare, se folosește o curbă de putere diferită pentru a controla rata de creștere și scădere în procesul de grafitizare;

3, în circumstanțe specifice, în ingrediente se adaugă catalyst, pentru a îmbunătăți gradul de grafitizare, adică „grafitizare catalitică”.

Diferențe: Diferitele calități de grafit artificial au diferite rate de încălzire și răcire, timp de menținere, catalizatori etc. Se așteaptă ca tipurile de cuptoare de grafitizare utilizate să fie diferite, ceea ce duce la diferențe relativ mari în performanță și cost. Grafitizarea separată de procesele de front-end și back-end, în special procesul de încălzire și răcire, este practic programată, dar timpul de grafitizare este lung și investiția în echipamente este mare, astfel încât este necesară o mai mare procesare externă, iar riscul de scurgeri tehnologice este inexistent.

(4) Carbonizare Acoperită

Carbonizarea acoperită : Carbonizarea acoperită utilizează un material de carbon similar grafitului ca „nucleu” și acoperă o strat uniform de material de carbon amorf pe suprafața sa pentru a forma particule asemănătoare unei structuri „nucleu-coajă”. Precursori ai materialelor de carbon amorf utilizate în mod obișnuit includ materiale de carbon din piroliză la temperaturi joase, cum ar fi rășina fenolică, smalțul și acidul citric. Distanța interlayer a materialelor de carbon amorf este mai mare decât cea a grafitului, ceea ce poate îmbunătăți performanța de difuzie a ionilor de litiu în interiorul acestuia. Film SEI, îmbunătățește prima eficiență, durata ciclului etc.

Diferențe: Diferitele manufacturi aleg precursori diferiți și proceduri de încălzire diferite, astfel încât grosimea și uniformitatea stratului de acoperire sunt, de asemenea, diferite, astfel încât costul și performanța produsului vor fi, de asemenea, diferite.

(5) Screening/Doping

Materialele grafitate sunt transportate la moara cu bile prin vid și apoi suferă amestecare fizică și măcinare cu bile. Ele sunt filtrate cu un sit molecular de 270 de ochiuri, iar materialul de sub sit este inspectat, măsurat, ambalat și stocat. Materialul de pe sit este măcinat suplimentar cu bile pentru a îndeplini cerințele de dimensiune a particulelor și apoi este cernut.

Modificarea Doping: Metoda de modificare prin doping este mai flexibilă și elementele de doping sunt diverse. În prezent, cercetătorii studiază activ această metodă. Dopingul elementelor non-carbon în grafit poate schimba starea electronică a grafitului, făcându-l mai ușor de obținut electroni, crescând astfel și mai mult intercalarea ionilor de litiu. De exemplu, dopingul reușit al atomilor de fosfor și bor pe suprafața grafitului și formarea legăturilor chimice cu aceștia ajută la formarea unui film SEI dens, care a îmbunătățit semnificativ durata de viață a ciclului și performanța de rată a grafitului. Dopingul elementelor diferite în materialul de grafit are efecte de optimizare diferite asupra performanței sale electrochimice. Printre acestea, adăugarea elementelor (Si, Sn) care au, de asemenea, capacitatea de a stoca litiu poate îmbunătăți semnificativ capacitatea specifică a materialelor anodice din grafit.