Quá trình phân loại và sản xuất vật liệu anot

2025-04-04

Vật liệu anotchủ yếu được chia thành hai loại: vật liệu carbon và vật liệu phi carbon. Carbon đề cập đến các hệ thống dựa trên carbon, chủ yếu bao gồm các vi cầu mesocarbon, graphit nhân tạo, graphit tự nhiên và carbon cứng. Hiện tại, vật liệu carbon được sử dụng rộng rãi nhất là vật liệu anot graphit, trong đó graphit nhân tạo và graphit tự nhiên có ứng dụng công nghiệp quy mô lớn. Vật liệu phi carbon chủ yếu bao gồm vật liệu dựa trên silicat, vật liệu dựa trên thiếc, lithium titanate, v.v. Trong đó, vật liệu anot dựa trên silicat hiện là đối tượng nghiên cứu chính của các nhà sản xuất vật liệu anot lớn, và là một trong những vật liệu anot mới có khả năng được áp dụng quy mô lớn nhất trong tương lai.

Chế biến Graphit Tự Nhiên

Vật liệu anot graphit tự nhiên là graphit flake tự nhiên làm nguyên liệu, sau khinghiền, phân loại, hình cầu hóa,tinh chế, xử lý bề mặt và các quá trình khác được chuẩn bị từ vật liệu catot.

Quy trình chuẩn bị vật liệu anot graphit nhân tạo

Quy trình sản xuất than chì nhân tạo có thể được chia thành bốn bước, hơn mười quy trình nhỏ, đóng viên và graphit hóa là chìa khóa.

Quy trình sản xuất vật liệu điện cực anode bằng than chì nhân tạo có thể được chia thành bốn bước:

1) xử lý trước

2) đóng viên

3) graphit hóa

4) nghiền bi và sàng.

Trong bốn bước này, nghiền và sàng khá đơn giản, và đóng viên và graphit hóa là hai khâu phản ánh ngưỡng công nghệ và trình độ sản xuất của ngành điện cực.

Cụ thể về quy trình sản xuất, trước tiên, một hoặc nhiều loại coke và các hạt dẫn điện, ống nano carbon, bột carbon, bột acetylene được trộn trước, sau đó vật liệu trộn và carbon được nung kết và phủ một lần, và các hạt chuẩn bị được graphitized. Vật liệu đã được graphit hóa và vật liệu nhựa cho lớp phủ thứ hai; Xử lý bề mặt bằng dung môi, ly tâm, kết tủa và các phương pháp khác để tách các hạt rắn khỏi dung môi, và sau đó là quá trình cacbon hóa, 5-20um hạt, để thu được vật liệu điện cực carbon có tỷ lệ cao. Trong phương pháp này, bằng cách trộn và chế tạo các hạt, các hạt được phủ hai lần để lấp đầy vỏ bên trong của vật liệu, do đó cấu trúc bên trong của vật liệu được ổn định, giúp vật liệu điện cực carbon có những ưu điểm về hiệu suất cao, ép nén áp suất cao, dung lượng riêng cao, và nhiều hơn nữa.

(1) Xử lý trước

Vật liệu thô đồ họa (coke kim hoặc coke dầu mỏ) được trộn với chất kết dính để nghiền bằng không khí (nghiền). Theo các sản phẩm khác nhau, các vật liệu thô đồ họa và chất dính (graphit hóa) theo tỷ lệ khác nhau, tỷ lệ trộn là 100 :(5~20), vật liệu được đưa vào phễu thông qua máy cấp liệu chân không, và sau đó từ phễu vào máy nghiền dòng không khí để nghiền, nghiền các vật liệu thô và phụ trợ có đường kính 5~10mm xuống 5-10 micron. Sau khi nghiền bằng không khí, máy thu bụi ly tâm được sử dụng để thu thập các vật liệu có kích thước hạt yêu cầu, tỷ lệ thu bụi khoảng 80%, khí thải được lọc qua bộ lọc lõi và thải ra ngoài, hiệu suất thu bụi hơn 99%. Vật liệu của bộ lọc là vải lọc có lỗ nhỏ hơn 0.2 micron, có thể chặn tất cả bụi có kích thước trên 0.2 micron. Hệ thống điều khiển quạt hoạt động ở trạng thái áp suất âm.

Sự khác biệt: Máy nghiền xử lý trước được chia thành máy nghiền cơ học và máy nghiền tia, hiện tại dòng máy nghiền chính là máy nghiền tia. Có nhiều loại chất kết dính hơn, chẳng hạn như nhựa đường dầu mỏ, nhựa đường than, nhựa phenolic hoặc nhựa epoxy.

(2) Đóng viên/Đóng viên thứ hai

Đóng viên là một bước quan trọng trong quá trình chế biến than chì nhân tạo. Đóng viên được chia thành quá trình nhiệt phân và quá trình nghiền bi.

Quá trình nhiệt phân: vật liệu trung gian 1 được cho vào phản ứng phản ứng và được làm nóng điện theo một đường cong nhiệt độ nhất định trong môi trường khí trơ và dưới một áp suất nhất định. Nó được khuấy ở nhiệt độ 200-300 ℃ trong 1-3 giờ và sau đó được đun nóng đến 400-500℃ để thu được vật liệu có kích thước hạt 10-20mm. Vật liệu được làm mát và thải ra, tức là vật liệu trung gian.

2. Phân công lao động giữa máy nghiền bi và sàng: cấp liệu chân không, vận chuyển vật liệu trung gian 2 vào máy nghiền bi để nghiền bằng bi cơ học, nghiền vật liệu kích thước 10~20mm thành vật liệu kích thước hạt 6~10 micron, và sàng lọc để thu được vật liệu trung gian.

3. Chất liệu trên màn hình được vận chuyển trở lại nhà máy bi bằng ống chân không để nghiền bi.

Kích thước, phân bố và hình thái của các hạt graphit ảnh hưởng đến nhiều tính chất của vật liệu cathode. Nói chung, kích thước hạt nhỏ hơn thì hiệu suất tốc độ và tuổi thọ chu kỳ sẽ tốt hơn, nhưng hiệu quả ban đầu và mật độ nén (ảnh hưởng đến mật độ năng lượng thể tích và dung lượng riêng) thì kém hơn, và ngược lại. Phân bố kích thước hạt hợp lý (kết hợp các hạt lớn với hạt nhỏ, trong quá trình sau) có thể cải thiện dung lượng riêng của điện cực âm. Hình thái của hạt cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tốc độ và hiệu suất ở nhiệt độ thấp.

Granul hóa phụ: Các hạt nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn, nhiều kênh và đường đi ngắn hơn cho sự di chuyển của ion lithium, hiệu suất tốc độ tốt, trong khi các hạt lớn có mật độ nén cao và dung lượng lớn. Làm thế nào để tính toán lợi thế của các hạt lớn và nhỏ, và đạt được dung lượng cao và tốc độ cao cùng một lúc? Câu trả lời là thực hiện granul hóa thứ cấp. Sử dụng nguyên liệu nền như than cốc dầu mỏ hạt nhỏ và than cốc kim, bằng cách thêm vật liệu phủ và phụ gia, dưới điều kiện khuấy trộn ở nhiệt độ cao, bằng cách kiểm soát tỷ lệ vật liệu, đường cong tăng nhiệt độ và tốc độ khuấy trộn, nguyên liệu nền hạt nhỏ có thể được granul hóa hai lần, và sản phẩm có kích thước hạt lớn hơn có thể được thu được. So với sản phẩm có cùng kích thước hạt, granul hóa thứ cấp có thể cải thiện hiệu suất giữ chất lỏng của vật liệu và giảm hệ số giãn nở của vật liệu (có các lỗ lõm giữa các hạt nhỏ với nhau), rút ngắn đường đi khuếch tán của ion lithium, cải thiện hiệu suất tốc độ, đồng thời cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ cao và thấp cũng như hiệu suất chu kỳ của vật liệu.

Sự khác biệt: Quá trình granul hóa thứ cấp có rào cản cao, nhiều loại vật liệu phủ và phụ gia, và dễ gây ra các vấn đề như phủ không đồng đều hoặc bong tróc lớp phủ, hoặc hiệu ứng phủ kém, v.v. Đây là một quá trình quan trọng cho graphit nhân tạo cao cấp.

(3) Graphit hóa

Quá trình graphit hóa là sự chuyển đổi có trật tự của các nguyên tử carbon không ổn định về mặt nhiệt động học từ cấu trúc lớp hỗn loạn sang cấu trúc tinh thể graphit thông qua kích hoạt nhiệt. Do đó, quá trình graphit hóa sử dụng xử lý nhiệt độ cao (HTT) để cung cấp năng lượng cho sự sắp xếp lại nguyên tử và biến đổi cấu trúc. Để cải thiện mức độ graphit hóa của các vật liệu carbon chịu lửa, cũng có thể thêm chất xúc tác.

Để có được hiệu suất graphit hóa tốt hơn, cần thực hiện ba khía cạnh:

1. Nắm vững phương pháp nạp vật liệu kháng và vật liệu vào lò (nạp theo chiều ngang, nạp theo chiều dọc, trượt ren và nạp hỗn hợp, v.v.), và có thể điều chỉnh khoảng cách giữa các vật liệu theo các đặc tính khác nhau của vật liệu kháng;

2. Theo các thông số kỹ thuật và dung lượng khác nhau của lò graphit hóa, sử dụng các đường cong công suất khác nhau để kiểm soát tốc độ tăng và giảm trong quá trình graphit hóa;

3, trong những hoàn cảnh cụ thể, trong các thành phần để thêm chất xúc tác, cải thiện mức độ graphit hóa, tức là “graphit hóa xúc tác”.

Sự khác biệt:Các loại graphite nhân tạo có chất lượng khác nhau có các tốc độ làm nóng và làm mát, thời gian giữ, chất xúc tác, v.v. Dự kiến rằng các loại lò graphit hóa sử dụng sẽ khác nhau, dẫn đến sự khác biệt tương đối lớn về hiệu suất và chi phí. Quá trình graphit hóa tách biệt khỏi các quy trình đầu vào và đầu ra, đặc biệt là quá trình làm nóng và làm mát, về cơ bản được lập trình, nhưng thời gian graphit hóa lâu và đầu tư thiết bị lớn, do đó cần phải gia công ngoài nhiều hơn, và không có nguy cơ rò rỉ công nghệ.

(4) Carbon hóa lớp phủ

Carbon hóa lớp phủ: Carbon hóa lớp phủ sử dụng một vật liệu carbon giống như graphite làm " lõi", và phủ một lớp vật liệu carbon vô định hình đồng nhất lên bề mặt của nó để tạo thành các hạt giống như cấu trúc "lõi-vỏ". Các tiền chất của các vật liệu carbon vô định hình thường được sử dụng bao gồm các vật liệu carbon từ quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ thấp như nhựa phenolic, nhựa đường và axit citric. Khoảng cách giữa các lớp của các vật liệu carbon vô định hình lớn hơn so với graphite, điều này có thể cải thiện hiệu suất khuếch tán của các ion lithium trong đó. Phim SEI, cải thiện hiệu ứng đầu tiên, tuổi thọ chu kỳ, v.v.

Sự khác biệt: Các nhà sản xuất khác nhau chọn các tiền chất và quy trình gia nhiệt khác nhau, do đó độ dày và tính đồng nhất của lớp phủ cũng khác nhau, vì vậy chi phí và hiệu suất sản phẩm cũng sẽ khác nhau.

(5) Sàng lọc/Pha tạp

Các vật liệu đã graphit hóa được vận chuyển đến máy nghiền bi bằng chân không, sau đó trải qua sự trộn vật lý và nghiền bi. Chúng được sàng lọc bằng một bộ lọc phân tử 270 lưới, và vật liệu dưới bộ lọc được kiểm tra, đo lường, đóng gói và lưu trữ. Vật liệu trên bộ lọc được nghiền bi thêm để đạt yêu cầu kích thước hạt và sau đó được sàng lọc.

Pha tạp sửa đổi:Phương pháp sửa đổi pha tạp linh hoạt hơn và các nguyên tố pha tạp rất đa dạng. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang tích cực nghiên cứu phương pháp này. Pha tạp các nguyên tố phi carbon vào graphite có thể thay đổi trạng thái điện tử của graphite, khiến nó dễ dàng nhận được electron hơn, từ đó tăng cường sự xen giữa của các ion lithium. Ví dụ, việc pha tạp thành công các nguyên tử phospho và boron vào bề mặt graphite và hình thành các liên kết hóa học với chúng giúp tạo ra một lớp phim SEI dày đặc, điều này đã cải thiện hiệu quả tuổi thọ chu kỳ và hiệu suất tỉ lệ của graphite. Việc pha tạp các nguyên tố khác nhau vào vật liệu graphite có những hiệu ứng tối ưu hóa khác nhau đối với hiệu suất điện hóa của nó. Trong số đó, việc thêm các nguyên tố (Si, Sn) cũng có khả năng lưu trữ lithium có thể cải thiện đáng kể dung lượng cụ thể của các vật liệu anode graphite.