Anot malzemesi sınıflandırması ve üretim süreci

2025-03-26

Anot malzemeleri esasen iki kategoriye ayrılır: karbon malzemeleri ve karbon dışı malzemeler. Karbon, karbon bazlı sistemleri ifade eder ve esas olarak mezokarbon mikrosferleri, yapay grafit, doğal grafit ve sert karbonu içerir. Şu anda en yaygın kullanılan karbon malzemeleri grafit anot malzemeleri olup, bunlar arasında yapay grafit ve doğal grafit büyük ölçekli endüstriyel uygulamalara sahiptir. Karbon dışı malzemeler esas olarak silikon bazlı malzemeler, kalay bazlı malzemeler, lityum titanat vb. içermektedir. Bunlar arasında silikon bazlı anot malzemeleri, şimdiki zamanın önemli anot malzeme üreticilerinin ana araştırma nesneleridir ve gelecekte büyük ölçekte uygulanma olasılığı en yüksek olan yeni anot malzemelerinden biridir.

Doğal grafit süreci

Doğal grafit anot malzemesi, ham madde olarak doğal flake grafit kullanılarak, öğütme, sınıflandırma, spheroidizasyon, arındırma, yüzey işleme ve diğer süreçlerden sonra katot malzemesi olarak hazırlanır.

Yapay grafit anot malzemesinin hazırlama süreci

Yapay grafit üretim süreci, dört aşamaya ve ondan fazla küçük işleme ayrılabilir; granülasyon ve grafitleşme anahtar noktadır.Yapay grafit anot malzemesi üretim süreci dört aşamaya ayrılabilir: 1) ön işlem 2) granülasyon 3) grafitleşme 4) topaklama ve eleme.Dört aşama arasında kırma ve eleme görece basittir, granülasyon ve grafitleşme ise anot endüstrisinin teknik eşiğini ve üretim seviyesini yansıtan iki adımdır.

Üretim sürecine özgü olarak, öncelikle bir veya birden fazla koks ve iletken parçacık, karbon nanotüpleri, karbon siyahı, asetilen siyahı ön karıştırılır. Daha sonra karışık malzeme ve karbon bir kez sinterlenir ve kaplanır ve hazırlanan parçacık grafitlenir.Grafitlenen malzemeler ve ikincil kaplama için reçine malzemeleri; Katı parçacıkları çözücüden ayırmak için çözücü ile yüzey işleme, santrifüjleme, çökelti ve diğer yöntemler kullanılır ve ardından karbonizasyon, 5-20um parçacık elde edilir, yüksek oranda karbon anot malzemesi elde edilir.Bu yöntemde, parçacıklar karıştırılarak ve üretilerek, malzemenin iç kabuğunu doldurmak için parçacıklar iki kez kaplanır, böylece malzemenin iç yapısı istikrarlı hale gelir ve karbon anot malzemesi yüksek oran performansı, yüksek basınç sıkıştırması, yüksek özgül kapasiteleri gibi avantajlara sahip olur.

（1）Ön işleme

Grafit ham maddesi (iğne koksu veya petrol koksu), bağlayıcı ile karıştırılarak hava değirmeninde (kırma) işlenir. Farklı ürünlere göre grafit ham maddeleri ve yapıştırıcı (grafitleşme) farklı oranlara göre karıştırılır, karıştırma oranı 100 :(5~20) şeklindedir, malzeme vakumla besleme makinesi aracılığıyla hoperlaya girer ve ardından hoperla hava akış değirmenine girerek hava öğütme işlemi gerçekleştirilir, 5~10 mm çapındaki ham ve yardımcı malzemeler 5-10 mikron boyutuna öğütülür.Hava öğütme işleminden sonra, gerekli parçacık boyutu malzemelerini toplamak için santrifüj toz toplayıcı kullanılır, toz toplama oranı yaklaşık %80'dir, atık gaz, filtre çekirdek filtresinden süzülerek boşaltılır, toz giderme verimliliği %99'dan fazladır.Filtre elemanının malzemesi, 0.2 mikrondan daha küçük gözeneklere sahip filtre kumaşıdır ve 0.2 mikron üzerindeki tüm tozları yakalar.Ventilatör kontrol sistemi negatif basınç durumundadır.

Fark: ön işlemesi değirmeni mekanik değirmen ve jet değirmeni olarak ikiye ayrılmaktadır, günümüzde ana akım jet değirmenidir.Yapıştırıcı çeşitleri daha fazladır, örneğin petrol asfalt, kömür asfaltı, fenolik reçine veya epoksi reçine.

（2）Granülasyon/ikincil granülasyon

Granülasyon, yapay grafit işlenmesinde anahtar bir adımdır. Granülasyon, piroliz süreci ve topaklama sürecine ayrılır.

Piroliz süreci: ara madde 1 reaksiyon reaktörüne konur ve belirli bir sıcaklık eğrisine göre inerte gaz atmosferinde ve belirli bir basınç altında elektrikle ısıtılır. 200-300 °C’de 1-3 saat karıştırılır ve ardından 400-500 °C’ye ısıtılarak 10-20 mm parçacık boyutuna sahip malzeme elde edilir. Malzeme soğutulur ve boşaltılır, yani ara malzeme 2. Toplam mill ve eleme iş bölümü: vakumla besleme, ara malzeme 2’yi mekanik topla öğütme için toplam makinesine taşıma, 10~20 mm malzemeyi 6~10 mikron parçacık boyutuna öğütme ve ara malzeme 3’ü elde etmek için eleme. Eleme üzerindeki malzeme, vakum borusu tarafından toplam makinesine geri taşınır ve topla öğütülür.

Grafit parçacıklarının boyutu, dağılımı ve morfolojisi, anot malzemelerinin birçok özelliğini etkiler. Genel olarak, parçacık boyutu ne kadar küçükse, hız performansı ve döngü ömrü o kadar iyi olur, ancak ilk verimlilik ve sıkıştırma yoğunluğu (hacim enerji yoğunluğunu ve spesifik kapasiteleri etkileyen) daha kötü olur ve bunun tersi de geçerlidir. Makul parçacık boyutu dağılımı (büyük parçacıkları küçük parçacıklarla karıştırma, sonraki işlem) negatif elektrodun spesifik kapasitesini artırabilir. Parçacık morfolojisi aynı zamanda hız ve düşük sıcaklık performansı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

İkincil granülasyon: küçük parçacıklar büyük özel yüzey alanına, daha fazla kanala ve lityum iyon migrasyonu için daha kısa yollara sahiptir, iyi hız performansı gösterir, büyük parçacıklar ise yüksek sıkıştırma yoğunluğuna ve büyük kapasiteye sahiptir. Büyük ve küçük parçacıkların avantajlarını nasıl dikkate alabilir ve aynı anda yüksek kapasite ve yüksek hızı nasıl elde edebilirsiniz? Cevap, ikincil granülasyonu kullanmaktır. Küçük taneli petrol kokusu ve iğne kokusu gibi temel malzemeleri kullanarak, kaplama malzemeleri ve katkı maddeleri ekleyerek, yüksek sıcaklık karıştırma koşullarında, malzeme oranını, sıcaklık artış eğrisini ve karıştırma hızını kontrol ederek, küçük taneli temel malzeme iki kez granüle edilebilir ve daha büyük taneli ürün elde edilebilir. Aynı parçacık boyutundaki ürünle karşılaştırıldığında, ikincil granülasyon, malzemenin sıvı tutma performansını etkili bir şekilde artırabilir ve malzemenin genleşme katsayısını (küçük parçacıklar ve küçük parçacıklar arasında çökük boşluklar vardır) azaltabilir, lityum iyonların difüzyon yolunu kısaltabilir, hız performansını artırabilir, aynı zamanda malzemenin yüksek ve düşük sıcaklık performansını ve döngü performansını da iyileştirebilir.

Farklar: İkincil granülasyon süreci yüksek engellere sahiptir, birçok çeşit kaplama malzemesi ve katkı maddesi bulunur ve düzensiz kaplama veya kaplama dökülmesi gibi sorunlara veya kötü kaplama etkisine eğilimlidir. Bu, yüksek kaliteli yapay grafit için önemli bir süreçtir.

（3）grafitleşme
Grafitleşme, termodinamik olarak kararsız karbon atomlarının kaotik katman yapısından grafit kristal yapısına düzenli dönüşümüdür ve bu işlem termal aktive edilir. Bu nedenle, grafitleşme sürecinde atomik yeniden düzenleme ve yapısal dönüşüm için enerji sağlamak amacıyla yüksek sıcaklıkta ısıl işlem (HTT) uygulanır. Refraktör karbon malzemelerinin grafitleşme derecesini artırmak için katalizörler de eklenebilir.

Daha iyi grafitizasyon etkisi elde etmek için üç aşama gerçekleştirilmelidir: 1. Direnç malzemelerini ve diğer malzemeleri fırına yükleme yöntemini (yatay yükleme, dikey yükleme, dislokasyon ve karışık yükleme vb.) kavramak ve direnç malzemelerinin farklı performansına göre malzemeler arasındaki mesafeyi ayarlayabilmek; 2. Grafitizasyon fırınının farklı kapasite ve ürün spesifikasyonlarına göre, grafitizasyon sürecinde artış ve düşüş hızını kontrol etmek için farklı güç eğrileri kullanmak; 3. Belirli koşullarda, bileşenlere katalizör eklemek, grafitizasyon derecesini artırmak, yani “katalitik grafitizasyon” gerçekleştirmek.

Farklılıklar: Farklı kaliteli yapay grafitlerin ısıtma ve soğutma hızları, bekletme süreleri, katalizörleri vb. farklıdır. Kullanılan grafitizasyon fırınlarının türlerinin farklı olması beklenmektedir, bu da performans ve maliyet açısından oldukça büyük farklılıklara neden olmaktadır. Ön uç ve arka uç süreçlerinden ayrılmış grafitizasyon, özellikle ısıtma ve soğutma süreci, temelde programlanmıştır, ancak grafitizasyon süresi uzundur ve ekipman yatırımı büyüktür, bu nedenle daha fazla dış kaynaklı işleme gereklidir ve teknoloji sızıntısı riski yoktur.
Kaplamalı karbonizasyon: Kaplamalı karbonizasyon, bir grafit benzeri karbon malzemesini “nüve” olarak kullanır ve yüzeyine uniform amorf karbon malzemesi kaplarak “nüve-kabuk” yapısına benzer parçacıklar oluşturur. Yaygın olarak kullanılan amorf karbon malzemelerinin öncülleri arasında fenol reçinesi, katran ve sitrik asit gibi düşük sıcaklık piroliz karbon malzemeleri bulunmaktadır. Amorf karbon malzemelerinin katmanlar arası boşluğu, grafitinkinden daha büyüktür ve bu durum, lityum iyonlarının içindeki difüzyon performansını artırabilir. SEI filmi, ilk etkiyi artırmak, döngü ömrü vb.

Farklılıklar: Farklı üreticiler, farklı öncüller ve farklı ısıtma prosedürleri seçerken, kaplama katmanının kalınlığı ve uniformluğu da farklıdır; bu nedenle ürün maliyeti ve performansı da farklı olacaktır.

(4) Eleme/doplama
Grafitize malzemeler, vakum ile toplama tesisine taşınır ve ardından fiziksel karıştırma ve top frezeleme işlemine tabi tutulur. 270 ağ moleküler eleği ile elenir ve eleğin altındaki malzeme incelenir, ölçülür, paketlenir ve depolanır. Eleğin üzerindeki malzeme, partikül boyutu gereksinimlerini karşılamak için daha fazla top frezeleme yapılır ve ardından elenir.

Doplama modifikasyonu. Doplama modifikasyon yöntemi daha esnektir ve doplama elementleri çeşitlidir. Şu anda araştırmacılar bu yöntemi aktif olarak araştırmaktadır. Grafite, doplama non-karbon elementleri eklemek, grafitin elektronik durumunu değiştirebilir, böylece elektronları elde etmeyi kolaylaştırabilir ve böylece lityum iyonların interkalasyonunu daha da artırabilir. Örneğin, fosfor ve bor atomlarının grafit yüzeyine başarılı bir şekilde doplanması ve onlarla kimyasal bağların oluşması, yoğun bir SEI filmi oluşmasına yardımcı olur ve bu, grafitin döngü ömrünü ve hız performansını etkili bir şekilde artırmıştır. Grafit malzemesinde farklı elementlerin doplanması, elektro-kimyasal performansı üzerinde farklı optimize edici etkilere sahiptir. Bunlar arasında, lityum depolama yeteneğine sahip elementlerin (Si, Sn) eklenmesi, grafit anot malzemelerinin spesifik kapasitesini önemli ölçüde artırabilir.