Petrol Koku’nun Anot Malzemesi Olarak Uygulaması

2025-03-26

Lityum iyon bataryası, lityum iyon ikinci pil olarak da bilinen geri dönüştürülebilir bir enerji depolama cihazıdır ve bir pozitif elektrot, bir negatif elektrot, bir diyafram ve bir elektrolit sıvı sistemi içermektedir. Bu tür bir batarya, diğer birincil bataryalara kıyasla yüksek enerji yoğunluğu, hafıza etkisinin olmaması ve düşük kendi kendine deşarj ile karakterizedir. Lityum iyon bataryası anot malzeme agregası, esasen yapay grafit ve doğal grafit olarak iki gruba ayrılmaktadır. Yapay grafitin ham maddesi çoğunlukla yağ ve kömür iğne kokudur.

İğneli petrol kokuyla temsil edilen yüksek kaliteli petrol kokunun, düşük ısıl genleşme katsayısı, düşük boşluk, düşük kükürt, düşük kül, düşük metal içeriği, yüksek iletkenlik ve kolay grafitlenme gibi bir dizi avantajı vardır, bu nedenle lityum iyon bataryaları için yüksek kaliteli anot malzemeleri olarak değerlendirilmektedir.

Yüksek kaliteli petrol kokusu, genellikle arıtma, ezme, tane boyutu taraması, grafitleştirme, yüzey modifikasyonu ve diğer süreçleri gerektiren lityum iyon piller için anot materyali olarak kullanılmaktadır. Tüm süreç oldukça uzun olup, nihai etki üzerinde daha fazla etkileyen faktör vardır. En büyük endişelerden bazıları şunlardır:
(1) Sıcaklıkla değişen karbon yapısı mekanizması;
(2) Anot materyallerinin özellikleri ile karbon materyallerinin yapısı arasındaki ilişki;
(3) Lityum iyon piller için anot materyallerinin ihtiyaçlarını karşılamak üzere uygun karbon materyalleri var mı?

1. Yüksek kaliteli petrol kokusunun son işlem sıcaklığının performansı üzerindeki etkisi

Yüksek kaliteli petrol kokusunun son ısıtma işlemi iki aşamaya ayrılmaktadır: kalsinasyon ve yüksek sıcaklık grafitleştirme. Kalsinasyon, 1500'ün altındaki kalsinasyon sürecini ifade ederken, yüksek sıcaklık grafitleştirme, 3000'e yakın yüksek sıcaklık işleme sürecini ifade eder.
Gecikmeli kokslaştırma süreci ile üretilen yüksek kaliteli petrol kokusu, döner fırında kalsine edilir ve bu, nem ve uçucu maddeleri önemli ölçüde azaltır, taşımayı ve depolamayı daha uygun hale getirir. Grafitleştirme sürecinde, grafitleştirme sıcaklığı, yüksek kaliteli petrol kokusunun grafitleştirme derecesini etkileyen anahtar bir faktördür.

700 ~ 1000 aralığında, sıcaklık arttıkça, karbonize edilmiş örneğin grafit tabakası aralığı küçülmekte, örneğin yapı düzeni artmakta, bu dönem kokusu yumuşak karbon olarak adlandırılabilir. Bu sıcaklıkta işlenen örneğin başlangıç kapasitansı, grafitin teorik kapasitesi olan 340 mAh/g'den daha yüksektir. Ancak iğne benzeri petrol kokusundan yapılan lityum iyon pili anot materyalleri için stabil şarj ve deşarj potansiyeli elde etmek zordur.

2800°C'de iğne benzeri petrol kokusu ve pitch kokusunun grafitleştirilmesinden sonra, 40 kez tekrar şarj ve deşarj edildikten sonra grafitlenmiş iğne benzeri petrol kokusunun lityum kapasitesinin 301mAh/g'de stabil kalabileceği, oysa grafitlenmiş pitch kokusunun sadece 240mAh/g olduğu bulunmuştur. Bunun nedeni, iğne benzeri petrol kokusunun hammaddesinin arıtılması ve kokslaşma sürecinde geniş alanlı mesofazın oluşabilmesidir. Sonuç olarak, iğne benzeri petrol kokusu grafitleştirmeye daha yatkındır ve grafitleşme derecesi daha yüksektir.

2. Yüksek kaliteli petrol kokusunun mikro yapısı ve lityum depolama mekanizması

(1) Yumuşak karbon ile temsil edilen, grafit mikro kristallerinin katmanlar arası lityum depolaması, yumuşak karbondaki nano gözenekler veya çatlaklar ile lityum depolama ve karbon materyallerinin yüzey kusurları veya kalıntı işlevsel grupları ile Li+ ile reaksiyonu sonucu oluşan katı elektrolit filmi (SEI) gibi çeşitli lityum depolama mekanizmaları vardır.

(2) İkinci tür, yapay grafit ile temsil edilen, esasen lityum grafitinin katmanlar arası depolanmasıdır, bu nedenle ilk kapasite yumuşak karbona göre daha küçüktür.

Özetlemek gerekirse, grafitleşme sıcaklığının nihai etkisi, yüksek kaliteli petrol kokunun ve diğer karbon materyallerinin iç yapısıdır. Eğer materyalin iç yapısı daha düzenliyse ve grafitleşmesi daha kolaysa, nihai negatif elektrot kapasitesi daha yüksek olur ve döngü verimliliği daha iyi olur. Ancak, yüksek derecede grafitlenmiş karbon materyalleri yüksek kapasiteye ve stabil şarj-boşaltım platformuna sahip olsalar da, döngü performansı ve düşük sıcaklık performansları kötüdür. Bunun nedeni, Li+ grafit katmanına girdiğinde, lamel grafit ile bir grafit ara tabaka bileşiği oluşturması ve grafit katmanının genişlemesidir. Li+ dışarı atıldığında, grafit orijinal durumuna geri döner. Tekrarlanan genişleme ve büzülme sürecinde, grafit katmanının yapısının kolayca bozulması mümkündür ve bu, çözücünün ortak gömülmesine yol açabilir, bu da negatif elektrotun döngü performansını azaltır. Bu nedenle, yüksek kaliteli petrol koku gibi karbon materyallerinin grafitlenme sürecinde grafitleşme derecesi kontrol edilmelidir ve belirli bir yapısal dayanımı korumak için bazı amorf yapılar mikro kristaller arasında gereklidir.

3. Yumuşak karbonun lityum iyon pil anodu malzemesi olarak kullanımı.

Sıradan lityum iyon pillerden farklı olarak, güç lityum iyon pilleri, şarj süresini kısaltmak için daha yüksek oran performansına, farklı çalışma ortamlarını karşılamak için iyi düşük sıcaklık performansına, pili küçültmek için büyük kapasiteye ve güvenlik sorunlarını önlemek için daha iyi istikrara ihtiyaç duyar.
Yumuşak karbon, anodik malzeme olarak ilk kez kullanıldığında düşük verimlilik ve stabil bir voltaj platformuna sahip değildir. Alcantara ve diğ. ilk döngünün düşük verimliliği için iki açıklama sunar:
(1) Li+ ve düşük sıcaklık alifatik hidrokarbonlarının kokla reaksiyonu geri dönüşümsüzdür;
(2) Li+, kokun açık kenarındaki grafit parçacıklarıyla geri dönüşümsüz olarak bağlanır. İlk döngünün düşük verimliliğinin yanı sıra, katmanlar arasındaki boşluk nedeniyle, şarj ve deşarj voltajı gecikecek ve elektrot kararsız olacaktır. Ancak, yumuşak karbon anodyum malzemesinin avantajı, çalışma voltajının nispeten yüksek olmasıdır; bu, kısa devre ve diğer sorunlardan kaynaklanan lityum metal çökelmesini güvenli bir şekilde önleyebilir. Ayrıca, maliyeti düşüktür ve yüksek sıcaklık grafitleştirmesine ihtiyaç yoktur.

4. Sonuç ve gelecek

Lityum iyon pil anodu malzemesi için uygun petrol kokunun S, O ve diğer heteroatom içeriği az, grafitleşmesi kolay ve uygun partikül boyut dağılımına ve küçük yüzey alanına sahip olması gerekir. Yüksek kaliteli petrol kokunun kalsine edilmesi ve diğer yumuşak karbon malzemeleri, düşük sıcaklık ve oran performansında mükemmel performans göstermektedir; bu da onları lityum iyon pil anodu malzemeleri alanında daha fazla dikkat çekmektedir. Ancak, döngü verimliliği ve stabilite sorunlarının hala çözülmesi gerekmektedir.
Kalsinasyon ve grafitleştirme, yüksek kaliteli petrol kokunun iç yapısını değiştirerek, bir anodik malzeme olarak elektro kimyasal performansını değiştirebilir. Ancak, grafitlenmiş malzemenin hala iyi bir döngü, büyütme ve yüksek hacim özellikleri sergileyebilmesi için malzeme mühendisliği yöntemleri kullanılarak geliştirilmesi gerekmektedir.
Gelecekte petrol kok anodu malzemeleri için üç gelişim eğilimi vardır:
(1) Kok yapısı ve etkileyen faktörleri daha derin bir şekilde anlamak, böylece daha yüksek kapasite, daha yüksek oran performansına yönelik özel hazırlamanın amacına ulaşmak;
(2) Yeni kompozit kok anodu malzemelerinin geliştirilmesi ve ticari uygulanması;
(3) Yeni petrol kok anodu malzemelerinin geliştirilmesi, petrol kokuna dayalı karbon nanoanotmalzeme üretimi ve yeni pil sistemleriyle eşleşen yeni kok anodu ve katodu malzemelerini içermektedir.