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。

In order to get better graphitization effect, three aspects need to be done: 1. Master the method of loading resistance materials and materials into the furnace (horizontal loading, vertical loading, dislocation and mixed loading, etc.), and can adjust the distance between materials according to the different performance of resistance materials; 2.2, according to the different capacity and product specifications of the graphitization furnace, different power curve is used to control the rate of rise and fall in the process of graphitization;3, in specific circumstances, in the ingredients to add catalyst, improve the degree of graphitization, that is, “catalytic graphitization”.

ความแตกต่าง: คุณภาพที่แตกต่างกันของกราไฟต์เทียมมีอัตราการให้ความร้อนและการทำให้เย็นที่แตกต่างกัน เวลาในการถือครอง ตัวเร่งปฏิกิริยา ฯลฯ คาดว่าประเภทของเตากราไฟต์ไทเซชันที่ใช้จะแตกต่างกัน ส่งผลให้มีความแตกต่างในด้านประสิทธิภาพและต้นทุนค่อนข้างมาก การกราไฟต์ไทเซชันที่แยกออกจากกระบวนการด้านหน้าและด้านหลัง โดยเฉพาะกระบวนการให้ความร้อนและการทำให้เย็น จะถูกตั้งโปรแกรมเป็นพื้นฐาน แต่เวลาการกราไฟต์ไทเซชันยาวนานและการลงทุนในอุปกรณ์สูง จึงต้องการการประมวลผลที่จ้างภายนอกมากขึ้น และไม่มีความเสี่ยงในการรั่วไหลของเทคโนโลยี。
Coated carbonization: Coated carbonization uses a graphite-like carbon material as a “core”, and coats a layer of uniform amorphous carbon material on its surface to form particles similar to a “core-shell” structure. The precursors of commonly used amorphous carbon materials include low-temperature pyrolysis carbon materials such as phenolic resin, pitch, and citric acid. The interlayer spacing of amorphous carbon materials is larger than that of graphite, which can improve the diffusion performance of lithium ions in it. SEI film, improve the first effect, cycle life, etc.

ความแตกต่าง: ผู้ผลิตที่แตกต่างกันเลือกพรีคูเซอร์ที่แตกต่างกันและขั้นตอนการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน ทำให้ความหนาและความสม่ำเสมอของชั้นเคลือบแตกต่างกัน ดังนั้นต้นทุนและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ก็จะแตกต่างกันด้วย。

（4）การคัดกรอง/การเติม
วัสดุที่ผ่านการทำให้เป็นกราไฟต์จะถูกขนส่งไปยังเครื่องบดลูกบอลด้วยสุญญากาศ จากนั้นจึงผ่านการผสมทางกายภาพและการบดลูกบอล วัสดุจะถูกคัดกรองด้วยตะแกรงโมเลกุลขนาด 270 เมช และวัสดุที่อยู่ใต้ตะแกรงจะถูกตรวจสอบ วัด บรรจุหีบห่อ และจัดเก็บ วัสดุบนตะแกรงจะถูกบดลูกบอลต่อไปเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านขนาดอนุภาค จากนั้นจึงร่อน

การดัดแปลงด้วยการเติมสารเจือปน วิธีการดัดแปลงด้วยการเติมสารเจือปนนั้นมีความยืดหยุ่นมากกว่าและธาตุเจือปนก็มีความหลากหลาย ในปัจจุบันนักวิจัยกำลังทำการวิจัยวิธีการนี้อย่างจริงจัง การเติมธาตุที่ไม่ใช่คาร์บอนลงในกราไฟต์สามารถเปลี่ยนสถานะอิเล็กตรอนของกราไฟต์ได้ ทำให้รับอิเล็กตรอนได้ง่ายขึ้น จึงทำให้ไอออนลิเธียมแทรกซึมมากขึ้น ตัวอย่างเช่น การเติมอะตอมฟอสฟอรัสและโบรอนลงบนพื้นผิวกราไฟต์ได้สำเร็จและการสร้างพันธะเคมีกับอะตอมเหล่านั้นช่วยสร้างฟิล์ม SEI หนาแน่น ซึ่งช่วยปรับปรุงอายุของวงจรและอัตราการทำงานของกราไฟต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การเติมธาตุต่าง ๆ ในวัสดุกราไฟต์มีผลในการปรับประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าแตกต่างกัน ในจำนวนนี้ การเติมธาตุ (Si, Sn) ที่มีความสามารถในการกักเก็บลิเธียมด้วยนั้นสามารถปรับปรุงความจุเฉพาะของวัสดุขั้วบวกกราไฟต์ได้อย่างมาก