การจำแนกประเภทวัสดุแอโนดและกระบวนการผลิต

2025-03-26

วัสดุแอโนดแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: วัสดุคาร์บอนและวัสดุที่ไม่ใช่คาร์บอน คาร์บอนหมายถึงระบบที่มีพื้นฐานจากคาร์บอน ซึ่งรวมถึงไมโครสเฟียร์เมโซคาร์บอน กราไฟต์เทียม กราไฟต์ธรรมชาติ และคาร์บอนแข็ง ในปัจจุบัน วัสดุคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือวัสดุแอโนดกราไฟต์ ซึ่งกราไฟต์เทียมและกราไฟต์ธรรมชาติมีการใช้งานในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ วัสดุที่ไม่ใช่คาร์บอนส่วนใหญ่รวมถึงวัสดุที่มีพื้นฐานจากซิลิกอน วัสดุที่มีพื้นฐานจากดีบุก ลิเธียมไททาเนต เป็นต้น ในหมู่พวกเขา วัสดุแอโนดที่มีพื้นฐานจากซิลิกอนเป็นวัตถุวิจัยหลักของผู้ผลิตวัสดุแอโนดรายใหญ่ในปัจจุบัน และเป็นหนึ่งในวัสดุแอโนดใหม่ที่มีแนวโน้มที่จะนำไปใช้ในวงกว้างในอนาคต

กระบวนการกราไฟต์ธรรมชาติ

วัสดุแอโนดกราไฟต์ธรรมชาติคือกราไฟต์แผ่นธรรมชาติเป็นวัตถุดิบ หลังจากการบด การคัดเกรด การทำให้เป็นทรงกลม การทำให้บริสุทธิ์ การบำบัดพื้นผิวและกระบวนการอื่น ๆ ที่เตรียมจากวัสดุแอโนด

กระบวนการเตรียมวัสดุแอโนดกราไฟต์เทียม

กระบวนการผลิตกราไฟต์เทียมสามารถแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน มีขั้นตอนย่อยมากกว่าสิบขั้นตอน การทำให้เป็นเม็ดและการทำให้เป็นกราไฟต์เป็นกุญแจสำคัญ กระบวนการผลิตวัสดุแอโนดกราไฟต์เทียมสามารถแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน: 1) การเตรียมการ 2) การทำให้เป็นเม็ด 3) การทำให้เป็นกราไฟต์ 4) การบดบอลและการคัดกรอง ในสี่ขั้นตอนนี้ การบดและการคัดกรองค่อนข้างง่าย และการทำให้เป็นเม็ดและการทำให้เป็นกราไฟต์เป็นสองลิงก์ที่สะท้อนถึงเกณฑ์ทางเทคนิคและระดับการผลิตของอุตสาหกรรมแอโนด

เฉพาะสำหรับกระบวนการผลิต ก่อนอื่นจะมีการผสมพาร์ติเคิลโค้กและพาร์ติเคิลนำไฟฟ้า เช่น คาร์บอนนาโนทูบ คาร์บอนแบล็ค และอะเซทิลีนแบล็คอย่างน้อยหนึ่งชนิด จากนั้นวัสดุที่ผสมและคาร์บอนจะถูกเผาและเคลือบครั้งหนึ่ง และพาร์ติเคิลที่เตรียมไว้จะถูกกราฟิไทซ์ วัสดุที่กราฟิไทซ์และวัสดุเรซินสำหรับการเคลือบครั้งที่สอง การบำบัดพื้นผิวด้วยตัวทำละลาย การปั่นเหวี่ยง การตกตะกอน และวิธีการอื่น ๆ เพื่อแยกพาร์ติเคิลของแข็งออกจากตัวทำละลาย จากนั้นจึงทำให้เกิดคาร์บอน พาร์ติเคิลขนาด 5-20 ไมครอน เพื่อให้ได้วัสดุแอโนดคาร์บอนที่มีอัตราสูง ในวิธีนี้ โดยการผสมและผลิตพาร์ติเคิล พาร์ติเคิลจะถูกเคลือบสองครั้งเพื่อเติมเปลือกภายในของวัสดุ ทำให้โครงสร้างภายในของวัสดุมีความเสถียร ทำให้วัสดุแอโนดคาร์บอนมีข้อดีในด้านประสิทธิภาพอัตราสูง การอัดแรงดันสูง ความจุเฉพาะสูง และอื่น ๆ

（1）การเตรียมการ

วัสดุดิบกราไฟต์ (เข็มโค้กหรือโค้กปิโตรเลียม) จะถูกผสมกับสารยึดเกาะสำหรับการบดด้วยอากาศ (การบด) ตามผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน วัสดุกราไฟต์ดิบและสารยึดเกาะ (การทำให้เป็นกราไฟต์) จะถูกผสมในอัตราส่วนที่แตกต่างกัน อัตราส่วนการผสมคือ 100 :(5~20) วัสดุจะถูกส่งผ่านเครื่องป้อนสูญญากาศเข้าสู่ถังเก็บ จากนั้นถังเก็บจะเข้าสู่โรงบดอากาศเพื่อการบดอากาศ โดยบดวัสดุดิบและวัสดุเสริมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5~10 มม. ให้มีขนาด 5-10 ไมครอน หลังจากการบดอากาศ จะใช้เครื่องเก็บฝุ่นไซโคลนเพื่อเก็บวัสดุที่มีขนาดอนุภาคที่ต้องการ อัตราการเก็บฝุ่นประมาณ 80% ก๊าซทิ้งจะถูกกรองโดยตัวกรองและปล่อยออกไป อัตราการกำจัดฝุ่นมากกว่า 99% วัสดุขององค์ประกอบกรองคือผ้ากรองที่มีรูพรุนขนาดเล็กกว่า 0.2 ไมครอน ซึ่งสามารถดักจับฝุ่นทั้งหมดที่มีขนาดมากกว่า 0.2 ไมครอน ระบบควบคุมพัดลมอยู่ในสภาวะความดันลบ

ความแตกต่าง: โรงบดการเตรียมการแบ่งออกเป็นโรงบดเชิงกลและโรงบดเจ็ท ขณะนี้กระแสหลักคือโรงบดเจ็ท มีสารยึดเกาะหลายประเภท เช่น ยางมะตอยปิโตรเลียม ยางมะตอยถ่านหิน เรซินฟีนอลหรือเรซินอีพอกซี

（2）การสร้างเม็ด/การสร้างเม็ดรอง

การสร้างเม็ดเป็นขั้นตอนสำคัญในกระบวนการกราไฟต์เทียม การสร้างเม็ดแบ่งออกเป็นกระบวนการพีโรไลซิสและกระบวนการบดลูกบอล

กระบวนการพีโรไลซิส: วัสดุกลาง 1 จะถูกใส่ลงในหม้อปฏิกิริยาและทำให้ร้อนด้วยไฟฟ้าตามเส้นโค้งอุณหภูมิที่กำหนดในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อยและภายใต้ความดันที่กำหนด จะถูกคนที่ 200-300 เป็นเวลา 1-3 ชั่วโมง จากนั้นทำให้ร้อนถึง 400-500 เพื่อให้ได้วัสดุที่มีขนาดอนุภาค 10-20 มม. วัสดุจะถูกทำให้เย็นและปล่อยออกมา ซึ่งก็คือวัสดุกลาง 2 การบดลูกบอลและการคัดแยกหน้าที่: การป้อนสูญญากาศ การขนส่งวัสดุกลาง 2 ไปยังโรงบดลูกบอลสำหรับการบดลูกบอลเชิงกล โดยบดวัสดุขนาด 10~20 มม. ให้มีขนาดอนุภาค 6~10 ไมครอน และคัดกรองเพื่อให้ได้วัสดุกลาง 3 วัสดุที่อยู่บนหน้าจอจะถูกขนส่งกลับไปยังโรงบดลูกบอลโดยท่อสูญญากาศสำหรับการบดลูกบอล

ขนาด การกระจาย และรูปทรงของอนุภาคกราไฟต์มีผลต่อคุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุขั้วบวก โดยทั่วไปแล้ว ขนาดอนุภาคที่เล็กกว่าจะมีประสิทธิภาพอัตราที่ดีกว่าและอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า แต่ประสิทธิภาพแรกและความหนาแน่นของการอัด (ซึ่งมีผลต่อความหนาแน่นพลังงานและความจุเฉพาะ) จะด้อยกว่า และในทางกลับกัน การกระจายขนาดอนุภาคที่เหมาะสม (การผสมอนุภาคขนาดใหญ่กับอนุภาคขนาดเล็กในกระบวนการถัดไป) สามารถปรับปรุงความจุเฉพาะของขั้วลบ รูปร่างของอนุภาคยังมีอิทธิพลอย่างมากต่ออัตราและประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ

การสร้างเม็ดรอง: อนุภาคขนาดเล็กมีพื้นที่ผิวเฉพาะขนาดใหญ่ มีช่องทางมากขึ้นและเส้นทางที่สั้นกว่าสำหรับการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียม มีประสิทธิภาพอัตราที่ดี และอนุภาคขนาดใหญ่มีความหนาแน่นในการอัดสูงและความจุขนาดใหญ่ จะทำอย่างไรเพื่อพิจารณาข้อดีของอนุภาคขนาดใหญ่และขนาดเล็ก และบรรลุความจุสูงและอัตราสูงในเวลาเดียวกัน? คำตอบคือการสร้างเม็ดรอง โดยใช้วัสดุพื้นฐานเช่นโค้กปิโตรเลียมขนาดเล็กและเข็มโค้ก โดยการเพิ่มวัสดุเคลือบและสารเติมแต่ง ภายใต้สภาวะการกระตุ้นที่อุณหภูมิสูง โดยการควบคุมอัตราส่วนวัสดุ เส้นโค้งการเพิ่มอุณหภูมิ และความเร็วในการกระตุ้น วัสดุพื้นฐานขนาดเล็กสามารถสร้างเม็ดได้สองครั้ง และสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นได้ เมื่อเปรียบเทียบกับผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดอนุภาคเดียวกัน การสร้างเม็ดรองสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเก็บรักษาของเหลวของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดค่าขยายตัวของวัสดุ (มีรูโพรงระหว่างอนุภาคขนาดเล็กและอนุภาคขนาดเล็ก) ทำให้เส้นทางการแพร่กระจายของไอออนลิเธียมสั้นลง ปรับปรุงประสิทธิภาพอัตรา และยังปรับปรุงประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงและต่ำและประสิทธิภาพการหมุนเวียนของวัสดุ

ความแตกต่าง: กระบวนการเกรนเนอรีที่สองมีอุปสรรคสูง วัสดุเคลือบและสารเติมแต่งหลายประเภท และมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาเช่น การเคลือบไม่สม่ำเสมอหรือการหลุดลอกของการเคลือบ หรือผลกระทบของการเคลือบที่ไม่ดี เป็นต้น เป็นกระบวนการที่สำคัญสำหรับกราไฟต์เทียมระดับสูง。

（3）การกราไฟต์ไทเซชัน
การกราไฟต์ไทเซชันคือการเปลี่ยนแปลงของอะตอมคาร์บอนที่ไม่เสถียรทางเทอร์โมไดนามิกจากโครงสร้างชั้นที่ยุ่งเหยิงไปเป็นโครงสร้างผลึกกราไฟต์อย่างเป็นระเบียบโดยการกระตุ้นด้วยความร้อน ดังนั้น การบำบัดด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง (HTT) จึงถูกใช้ในกระบวนการกราไฟต์ไทเซชันเพื่อให้พลังงานสำหรับการจัดเรียงอะตอมและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง。เพื่อปรับปรุงระดับการกราไฟต์ไทเซชันของวัสดุคาร์บอนทนไฟ ยังสามารถเพิ่มตัวเร่งปฏิกิริยาได้。

เพื่อให้ได้ผลการกราไฟต์ไทเซชันที่ดีกว่า ต้องทำสามด้าน: 1. เข้าใจวิธีการโหลดวัสดุทนความร้อนและวัสดุเข้าเตา (การโหลดแนวนอน การโหลดแนวตั้ง การโหลดแบบเบี่ยงเบนและการโหลดแบบผสม เป็นต้น) และสามารถปรับระยะห่างระหว่างวัสดุตามประสิทธิภาพที่แตกต่างกันของวัสดุทนความร้อน; 2.2 ตามความจุและสเปคผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันของเตากราไฟต์ไทเซชัน จะใช้พลังงานที่แตกต่างกันในการควบคุมอัตราการเพิ่มขึ้นและลดลงในกระบวนการกราไฟต์ไทเซชัน; 3. ในสถานการณ์เฉพาะ ในส่วนผสมให้เพิ่มตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อปรับปรุงระดับการกราไฟต์ไทเซชัน นั่นคือ “การกราไฟต์ไทเซชันแบบเร่งปฏิกิริยา”。

ความแตกต่าง: คุณภาพที่แตกต่างกันของกราไฟต์เทียมมีอัตราการให้ความร้อนและการทำให้เย็นที่แตกต่างกัน เวลาในการถือครอง ตัวเร่งปฏิกิริยา ฯลฯ คาดว่าประเภทของเตากราไฟต์ไทเซชันที่ใช้จะแตกต่างกัน ส่งผลให้มีความแตกต่างในด้านประสิทธิภาพและต้นทุนค่อนข้างมาก การกราไฟต์ไทเซชันที่แยกออกจากกระบวนการด้านหน้าและด้านหลัง โดยเฉพาะกระบวนการให้ความร้อนและการทำให้เย็น จะถูกตั้งโปรแกรมเป็นพื้นฐาน แต่เวลาการกราไฟต์ไทเซชันยาวนานและการลงทุนในอุปกรณ์สูง จึงต้องการการประมวลผลที่จ้างภายนอกมากขึ้น และไม่มีความเสี่ยงในการรั่วไหลของเทคโนโลยี。
การคาร์บอไนเซชันแบบเคลือบ: การคาร์บอไนเซชันแบบเคลือบใช้วัสดุคาร์บอนที่คล้ายกราไฟต์เป็น “แกน” และเคลือบชั้นของวัสดุคาร์บอนแอมอร์ฟัสที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวเพื่อสร้างอนุภาคที่คล้ายกับโครงสร้าง “แกน-เปลือก” วัสดุคาร์บอนแอมอร์ฟัสที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ วัสดุคาร์บอนจากการพิโรไลซิสที่อุณหภูมิต่ำ เช่น เรซินฟีนอล ยางมะตอย และกรดซิตริก ระยะห่างระหว่างชั้นของวัสดุคาร์บอนแอมอร์ฟัสจะใหญ่กว่าของกราไฟต์ ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการแพร่กระจายของไอออนลิเธียมในนั้น ฟิล์ม SEI ปรับปรุงผลแรก อายุการใช้งานรอบ ฯลฯ。

ความแตกต่าง: ผู้ผลิตที่แตกต่างกันเลือกพรีคูเซอร์ที่แตกต่างกันและขั้นตอนการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน ทำให้ความหนาและความสม่ำเสมอของชั้นเคลือบแตกต่างกัน ดังนั้นต้นทุนและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ก็จะแตกต่างกันด้วย。

（4）การคัดกรอง/การเติม
วัสดุที่กราไฟต์ถูกขนส่งไปยังโรงสีบอลโดยการดูดสูญญากาศ จากนั้นจะ undergo การผสมทางกายภาพและการบดบอล พวกเขาจะถูกคัดกรองด้วยตะแกรงโมเลกุลขนาด 270 เมช และวัสดุที่อยู่ใต้ตะแกรงจะถูกตรวจสอบ วัด บรรจุ และเก็บรักษา วัสดุที่อยู่บนตะแกรงจะถูกบดบอลเพิ่มเติมเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดขนาดอนุภาคและจากนั้นจะถูกคัดกรอง。

การปรับเปลี่ยนด้วยการดอปปิ้ง วิธีการปรับเปลี่ยนด้วยการดอปปิ้งมีความยืดหยุ่นมากขึ้นและองค์ประกอบการดอปปิ้งมีความหลากหลาย ในปัจจุบัน นักวิจัยกำลังศึกษาเกี่ยวกับวิธีการนี้อย่างกระตือรือร้น การดอปปิ้งองค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนลงในกราไฟต์สามารถเปลี่ยนสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟต์ ทำให้สามารถรับอิเล็กตรอนได้ง่ายขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มการแทรกซึมของไอออนลิเธียมได้มากขึ้น ตัวอย่างเช่น การดอปปิ้งอะตอมฟอสฟอรัสและโบรอนลงบนพื้นผิวกราไฟต์อย่างประสบความสำเร็จและการสร้างพันธะเคมีช่วยในการ形成ฟิล์ม SEI ที่หนาแน่น ซึ่งได้ปรับปรุงอายุการใช้งานและประสิทธิภาพอัตราของกราไฟต์อย่างมีประสิทธิภาพ การดอปปิ้งองค์ประกอบที่แตกต่างกันในวัสดุกราไฟต์มีผลต่อการปรับแต่งประสิทธิภาพทางอิเล็กโตรเคมีที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเพิ่มองค์ประกอบ (Si, Sn) ที่มีความสามารถในการเก็บลิเธียมก็สามารถปรับปรุงความจุเฉพาะของวัสดุแอโนดกราไฟต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ