Aplicarea cuptorului de petrol ca material anodic

2025-03-26

Bateria cu ion de litiu este un dispozitiv de stocare a energiei reciclabile, cunoscută și sub numele de baterie secundară cu ion de litiu, care este compusă dintr-un electroda pozitivă, o electroda negativă, un diafragm și un sistem de lichid electrolitic. Acest tip de baterie se caracterizează printr-o densitate energetică ridicată comparativ cu alte baterii primare, fără efect de memorie și cu o auto-deșcarcare scăzută. Materialul anodic al bateriei cu ion de litiu este împărțit în principal în grafit artificial și grafit natural. Materia primă a grafitului artificial este în principal cuptorul de petrol și cuptorul de cărbune.

Cuptorul de petrol de înaltă calitate, reprezentat de cuptorul de petrol acicular, are o serie de avantaje, cum ar fi coeficientul de expansiune termică scăzut, porozitate scăzută, conținut scăzut de sulf, cenușă scăzută, conținut scăzut de metale, conductivitate ridicată și ușurința de grafitizare, astfel încât este considerat materiale anodice de înaltă calitate pentru bateriile cu ion de litiu.

Cuptorul de petrol de înaltă calitate este utilizat ca material anodic pentru bateriile cu ion de litiu, care necesită în general purificare, măcinare, sortare a dimensiunii particulelor, grafitizare, modificare a suprafeței și alte procese. Întregul proces este relativ lung, iar efectul final este influențat de mai mulți factori. Unele dintre cele mai mari îngrijorări sunt:
(1) Mecanismul de schimbare a structurii carbonului cu temperatura;
(2) Relația dintre proprietățile materialelor anodice și structura materialelor de carbon;
(3) Există materiale de carbon adecvate pentru a satisface nevoile materialelor anodice pentru bateriile cu ion de litiu?

1. Influența temperaturii de post-tratament a cuptorului de petrol de înaltă calitate asupra performanței sale

Post-tratamentul termic al cuptorului de petrol de înaltă calitate este împărțit în două etape: calcinare și grafitizare la temperaturi ridicate. Calcinarea se referă la procesul de calcinare sub 1500, iar grafitizarea la temperaturi ridicate se referă la procesul de tratament la temperaturi ridicate aproape de 3000.
Cuptorul de petrol de înaltă calitate produs prin procesul de coking întârziat este calcinat în cuptorul rotativ, ceea ce reduce semnificativ umiditatea și materia volatilă, fiind mai convenabil pentru transport și stocare. În timpul procesului de grafitizare, temperatura de grafitizare este un factor cheie care afectează gradul de grafitizare al cuptorului de petrol de înaltă calitate.

În intervalul 700 ~ 1000, cu cât temperatura este mai mare, cu atât distanța dintre straturile de grafit ale probei carbonizate este mai mică, iar ordinea structurii probei crește, această perioadă de cuptor poate fi numită carbon moale. Capacitatea inițială a probei tratate la această temperatură este mai mare decât capacitatea teoretică a grafitului de 340 mAh/g. Cu toate acestea, este dificil să se obțină un potențial de încărcare și descărcare stabil pentru materialele anodice ale bateriilor cu ion de litiu fabricate din cuptor de petrol acicular.

După grafitizarea cuptorului de petrol acicular și a cuptorului de gudron la 2800, s-a constatat că cuptorul de petrol acicular grafitat după încărcarea și descărcarea repetată de 40 de ori, capacitatea sa de litiu poate fi stabilă la 301mAh/g, în timp ce cuptorul de gudron grafitat este doar 240mAh/g. Acest lucru se datorează faptului că materia primă a cuptorului de petrol acicular este purificată, iar faza mesomorfă de suprafață largă poate fi formată în procesul de coking. În cele din urmă, cuptorul de petrol acicular este mai ușor de grafitizat și gradul de grafitizare este mai mare.

2. Microstructura și mecanismul de stocare a litiului al cuvei de petrol de înaltă calitate

(1) Reprezentată de carbonul moale, există diverse mecanisme de stocare a litiului, cum ar fi stocarea interlaminară a litiului în microcristalele de grafit, stocarea litiului prin nano-pori sau crăpături în carbonul moale și filmul de electrolit solid (SEI) generat prin reacția defectelor de suprafață sau a grupurilor funcționale reziduale ale materialelor de carbon cu Li+, etc.

(2) A doua categorie, reprezentată de grafitul artificial, este în principal stocarea interstrat a litiului în grafit, astfel încât prima capacitate va fi mai mică decât cea a carbonului moale.

În concluzie, efectul final al temperaturii de grafitizare este structura internă a cuvei de petrol de înaltă calitate și a altor materiale de carbon. Dacă structura internă a materialului este mai ordonată și mai ușor de grafitizat, capacitatea finală a electrodului negativ este mai mare, iar eficiența ciclului este mai bună. Cu toate acestea, deși materialele de carbon foarte grafitizate au o capacitate mare și o platformă stabilă de încărcare-descărcare, performanța lor în ciclu și performanța la temperaturi scăzute sunt slabe. Acest lucru se datorează faptului că atunci când Li+ este inserat în stratul de grafit, formează un compus interstrat de grafit cu grafitul lamelar, iar stratul de grafit se extinde. Când Li+ este extrudat, grafitul revine la starea sa inițială. În procesul de expansiune și contracție repetată, structura stratului de grafit este ușor de distrus și poate provoca co-înglobarea solventului, astfel încât performanța ciclului electrodului negativ să scadă. Prin urmare, gradul de grafitizare ar trebui să fie controlat în procesul de grafitizare a materialelor de carbon, cum ar fi cuva de petrol de înaltă calitate, iar unele structuri amorfe între microcristale sunt necesare pentru a menține o anumită rezistență structurală.

3. Carbonul moale ca material anodic pentru bateria cu ion de litiu

Diferențiat de bateriile obișnuite cu ion de litiu, bateriile cu ion de litiu pentru putere necesită o performanță mai mare pentru a scurta timpul de încărcare, o bună performanță la temperaturi scăzute pentru a satisface diferite medii de lucru, o capacitate mare pentru a reduce volumul bateriei și o stabilitate mai bună pentru a preveni problemele de siguranță.
Carbonul moale ca material anodic pentru prima dată are o eficiență scăzută și nu are o platformă de tensiune stabilă. Alcantara et al. oferă două explicații pentru eficiența scăzută a primului ciclu:
(1) Datorită reacției dintre Li+ și hidrocarburile alifatice la temperaturi scăzute în cocă, care a cauzat efecte ireversibile;
(2) Li+ se leagă ireversibil de fragmentele de grafit de pe marginea expusă a cocăi. Pe lângă eficiența scăzută a primului ciclu, din cauza decalajului dintre straturi, tensiunea de încărcare și descărcare va întârzia, iar electrodul va fi instabil. Cu toate acestea, avantajul materialului anodic din carbon moale este că tensiunea de lucru este relativ mare, ceea ce poate preveni utilizarea sigură a precipitației de metal de litiu cauzată de scurtcircuit și alte probleme. În al doilea rând, costul este scăzut și nu este necesară grafitizarea la temperaturi ridicate.

4. Concluzie și perspectivă

Cocă de petrol potrivită pentru materialul anodic al bateriei cu ion de litiu S, O și alte conținuturi heteroatomice sunt mici, ușor de grafitizat și trebuie să aibă o distribuție adecvată a dimensiunii particulelor și o suprafață mică, etc. Cocă de petrol de înaltă calitate calcinată și alte materiale de carbon moale au performanțe excelente la temperaturi scăzute și performanțe de rată, ceea ce le face să fie mai atrăgătoare în domeniul materialelor anodice pentru bateriile cu ion de litiu, dar problemele de eficiență a ciclului și stabilitate trebuie încă rezolvate.
Calcinația și grafitizarea pot schimba structura internă a cuvei de petrol de înaltă calitate și, apoi, pot schimba performanța sa electrochimică ca material anodic. Cu toate acestea, materialul grafitat trebuie în continuare să fie îmbunătățit folosind metode de inginerie a materialelor pentru a arăta proprietăți bune de ciclu, amplificare și volum mare.
Există trei tendințe de dezvoltare a materialelor anodice din cocs de petrol în viitor: Dacă scrii cod, nu include "line_number|" înaintea fiecărei linii de cod.
(1) Pentru a avea o înțelegere mai profundă a structurii cocsului și a factorilor care o influențează, astfel încât să se atingă scopul preparării personalizate, orientate spre o capacitate mai mare și o performanță mai bună a bateriilor cu ion de litiu;
(2) Dezvoltarea și aplicarea comercială a unor noi materiale anode compozite din cocă;
(3) Dezvoltarea unor noi materiale anode din cocă de petrol, inclusiv pregătirea în loturi a materialelor de carbon nanoanod pe bază de cocă de petrol și noi materiale anode și catode din cocă care se potrivesc cu noile sisteme de baterii.