يُعدّ الجرافيت أحد أقدم عناصر عائلة الكربون، وقد هيمن لفترة طويلة على مواد الأنود في بطاريات الليثيوم أيون، وذلك بفضل موصليته الحرارية والكهربائية الممتازة. كما يتميز الجرافيت بمقاومته العالية لدرجات الحرارة المرتفعة وخصائصه التشحيمية. وقد صنّفه الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة الأمريكية كمادة خام أساسية، كما اعتمدت أستراليا ومناطق أخرى تصنيفات استراتيجية مماثلة. وتتوسع تطبيقات الجرافيت باستمرار، بدءًا من الجرافيت الطبيعي على شكل رقائق وصولًا إلى الجرافيت عالي النقاء. ويُعزز الجرافيت الكروي والجرافيت المتخصص من قيمته الصناعية. وتُظهر عائلة الجرافيت تنوعًا كبيرًا في العديد من الصناعات، بما في ذلك مجالات التعدين والإلكترونيات والكيماويات والفضاء. وتُستخدم معالجة الجرافيت المتقدمة، وخاصةً الجرافيت، في العديد من المجالات الصناعية. طحن فائق الدقة, ، مما يتيح هذه التطبيقات عالية الأداء.
مع ذلك، ومع النمو السريع لمركبات الطاقة الجديدة وأنظمة تخزين الطاقة، تقترب السعة النظرية لأقطاب الجرافيت التقليدية (372 مللي أمبير/غرام) من حدها الأقصى، مما يجعل تلبية الطلب على بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى أمرًا صعبًا. ولذلك، برزت مواد الأنود المصنوعة من السيليكون والكربون كتقنية رائدة لتجاوز هذه العقبة.
من الجرافيت الرقائقي والجرافيت الميكروكريستالي الطبيعيين إلى الجرافيت الاصطناعي، والجرافيت عالي النقاء، والجرافيت المتخصص، والجرافيت الكروي المستخدم في صناعة البطاريات، والجرافين، يتطور نظام مادة الجرافيت باستمرار نحو نقاء أعلى وقابل للتحكم حجم الجسيمات, انخفاض مستويات الشوائب، وزيادة الاتساق. هذا التطور لا ينفصل عن التقدم المحرز في طحن الجرافيت فائق النعومة., تصنيف، و تعديل السطح التقنيات.
الجرافيت الطبيعي: مصدر أساسي للكربون لـ أنودات السيليكون والكربون
الجرافيت الطبيعي هو نوع من أنواع الجرافيت المعدنية يتشكل الجرافيت الطبيعي في الطبيعة، وتحدد خصائص تبلوره بشكل مباشر طرق معالجته وإمكانيات استخدامه. صناعياً، يُصنف الجرافيت الطبيعي عادةً إلى جرافيت بلوري وجرافيت دقيق التبلور.
الجرافيت البلوري (الجرافيت الرقائقي والكثيف)
يوجد الجرافيت الرقائقي في بلورات تشبه الصفائح أو الأوراق، وعادة ما يكون حجمها أكبر من 1 ميكرومتر. وهو يتميز بقابلية طفو ممتازة، وتزييت، وليونة، مما يجعله المادة الخام المفضلة لإنتاج الجرافيت الكروي والأنودات المركبة من السيليكون والكربون.
في تحضير مادة الأنود، عادةً ما تخضع رقائق الجرافيت للتشكيل الميكانيكي والطحن فائق الدقة والتصنيف والتنقية لتحقيق توزيع مناسب لحجم الجسيمات ومساحة سطح محددة.
يحتوي الجرافيت البلوري الكثيف (الكتلي) عمومًا على الكربون من نوع 60%–65%، ويتميز بانخفاض اللدونة والتشحيم. ويقتصر استخدامه في مصاعد بطاريات الليثيوم، ويُستخدم بشكل رئيسي في مجالات المواد الحرارية والمعادن التقليدية.
جرافيت دقيق التبلور
يتكون الجرافيت الميكروكريستالي من بلورات دقيقة للغاية وله مظهر باهت يشبه لون الأرض. يتميز عادةً بدرجة طبيعية عالية، حيث تتجاوز نسبة الكربون في بعض رواسبه 90%. ومع التقدم في تقنيات التنقية بدرجات الحرارة العالية و الطحن النفاث في مجال التقنيات، يُستخدم الجرافيت الميكروكريستالي بشكل متزايد في الإضافات الموصلة والكربون-طلاء أنظمة لأقطاب السيليكون والكربون.
الجرافيت الاصطناعي وعالي النقاء: مثبتات الأداء لأقطاب السيليكون والكربون
يُنتج الجرافيت الاصطناعي من فحم الكوك البترولي وفحم الكوك القطراني على شكل كتل، ثم يُشكّل ويُخبز ويُحوّل إلى جرافيت عند درجات حرارة عالية. وبفضل بنيته القابلة للتحكم بدرجة عالية ونقائه العالي، يُعدّ مادة أساسية لأقطاب بطاريات الطاقة عالية الأداء.
جرافيت عالي النقاء
يشير مصطلح الجرافيت عالي النقاء عادةً إلى الجرافيت الذي يحتوي على نسبة كربون ≥99.9% (أو ≥99.99% في بعض التطبيقات). وتشمل مزاياه الرئيسية ما يلي:
- موصلية كهربائية عالية ومقاومة داخلية منخفضة
- ممتاز المواد الكيميائية استقرار
- محتوى منخفض للغاية من الشوائب وأيونات المعادن
في أنظمة الأنود المصنوعة من السيليكون والكربون، يُستخدم الجرافيت عالي النقاء غالبًا كإطار موصل أو مصدر لطلاء الكربون. ومن خلال الطحن والتصنيف الدقيقين، يمكن التحكم بدقة في حجم جسيماته وشكله، مما يساعد على الحد من التمدد الحجمي الكبير للسيليكون.
الجرافيت الكروي: الهيكل الأساسي لأقطاب السيليكون والكربون
يُنتج الجرافيت الكروي من الجرافيت الرقائقي عالي الكربون من خلال التشكيل الميكانيكي والطحن والتصنيف وتعديل السطح، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات بيضاوية الشكل. وهو الشكل السائد لأقطاب بطاريات الليثيوم أيون.
يتمتع السيليكون بسعة نظرية تصل إلى 4200 مللي أمبير/غرام، أي أكثر من عشرة أضعاف سعة الجرافيت، ولكنه يعاني من تمدد حجمي يصل إلى 300% أثناء دورات الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى تفتت الجسيمات، وتمزق طبقة SEI بشكل متكرر، وانخفاض سريع في السعة. تعالج مصاعد السيليكون-الكربون هذه المشكلة من خلال دمج السيليكون النانوي (أو SiOx) مع مواد كربونية، وخاصة الجرافيت.
تشمل طرق التحضير الرئيسية لأقطاب السيليكون والكربون ما يلي:
- طحن الكرات, ، حيث يتم خلط السيليكون النانوي أو طلائه فعلياً على الجرافيت الكروي أو الاصطناعي؛;
- الترسيب الكيميائي للبخار (CVD), ، حيث يتم ترسيب السيليكون النانوي داخل مصفوفات الكربون المسامية (غالباً الجرافيت أو الكربون الصلب)، وهو المسار الصناعي السائد حالياً.
يلعب الجرافيت الكروي دورًا محوريًا في هذه العمليات. فشكله الكروي، وسيولته الجيدة، وكثافته العالية تجعله المادة الأساسية المفضلة في المواد المركبة. بعد تعديل سطحه، يمكن للجرافيت الكروي أن يشكل هياكل مركبة مستقرة ذات نواة وغلاف أو هياكل مسامية مع السيليكون النانوي، مما يحسن بشكل كبير من سهولة المعالجة واستقرار دورات التشغيل.
كما يستخدم الجرافيت عالي النقاء والجرافيت الموسع على نطاق واسع لبناء الشبكات الموصلة أو توفير التخزين المؤقت للحجم، في حين أصبحت مصاعد السيليكون والكربون المحسنة بالجرافين محورًا رئيسيًا للبحث في السنوات الأخيرة.
الجرافين والجرافيت الموسع: معززات وظيفية في أنظمة السيليكون والكربون
يتميز الجرافين، المكون من طبقة واحدة أو بضع طبقات من ذرات الكربون، بموصلية كهربائية استثنائية وقوة ميكانيكية فائقة. يُستخدم الجرافين في مصاعد السيليكون والكربون لبناء شبكات موصلة، مما يُحسّن من قدرة الشحن والتفريغ وعمر الدورة. ويعتمد تحضيره بشكل كبير على الطحن فائق الدقة والتقشير للجرافيت عالي النقاء.
يُستخدم الجرافيت الموسع والجرافيت المرن كمواد طلاء أو عازلة للكربون. ومن خلال التمدد عند درجات حرارة عالية والضغط الميكانيكي، يشكلان هياكل مسامية تستوعب بفعالية تغيرات حجم السيليكون.
الجرافيت المتخصص والجرافيت المستخدم في الصناعات النووية: أسس تصنيع المعدات المتقدمة والأنودات
يتميز الجرافيت المتخصص والجرافيت المستخدم في المفاعلات النووية بنقاوة وكثافة وتجانس بنيوي فائقين. ويُستخدمان على نطاق واسع في:
- مفاعلات طلاء الكربون لمواد السيليكون
- بطانات أفران المعالجة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية
- معدات تحويل السيليكون والكربون إلى جرافيت لإنتاج الأنود
يعتمد تصنيعها بشكل كبير على الضغط المتساوي، والطحن فائق الدقة، والتنقية بدرجة حرارة عالية، مع تحكم صارم في حجم الجسيمات والشوائب الضئيلة.
معدات الطحن: "البطل الخفي" في إنتاج أنودات السيليكون والكربون
يعتمد أداء مصاعد السيليكون والكربون بشكل كبير على تجانس الجسيمات والتحكم الهيكلي على المستوى النانوي، مما يجعل معدات الطحن عنصرًا أساسيًا في العملية:
- مطاحن الكرات عالية الطاقة: يستخدم لتصغير حجم السيليكون إلى حجم نانوي ودمجه بشكل موحد مع الجرافيت، مما يتيح تشتيت السيليكون أو طلائه من خلال التأثير الشديد والقص.
- مطاحن نانو / مطاحن خرز: يتم تطبيقها على نطاق واسع في العمليات الرطبة لتقليل حجم جزيئات السيليكون إلى أقل من 50 نانومتر مع تقليل التكتل.
- الطحن مع التجفيف بالرشتقوم العديد من العمليات المتقدمة أولاً بتحضير معلقات متجانسة عن طريق الطحن بالكرات أو الخرز، متبوعًا بالتجفيف بالرش والتفحيم لتشكيل جزيئات مركبة شبه كروية.
تُحدد أنظمة الطحن هذه بشكل مباشر توزيع حجم الجسيمات، ومساحة السطح النوعية، وكفاءة كولوم الأولية، وعمر الدورة، وأداء المعدل. ومع ازدياد استخدام طرق الترسيب الكيميائي للبخار، يتزايد استخدام معدات الطحن لتصميم هياكل الكربون المسامية بدقة عالية لترسيب السيليكون لاحقًا.
خاتمة: مسحوق ملحمي تمكين مستقبل السيليكون والكربون
مع اتجاه مصاعد السيليكون والكربون نحو التسويق التجاري واسع النطاق،, هندسة المساحيق تصبح الدقة عاملاً حاسماً. تُقدّم شركة إبيك باودر، بخبرتها التي تزيد عن 20 عامًا في مجال الطحن فائق النعومة، والتصنيف الهوائي، وتعديل الأسطح، حلولًا مُخصصة للجرافيت والسيليكون ومواد السيليكون والكربون المركبة. ومن خلال مطاحن الكرات المتطورة، ومطاحن النفث، ومطاحن التصنيف، وأنظمة الطحن والتصنيف المتكاملة، تُساعد إبيك باودر في تحقيق أهداف عملائها. مادة البطارية يحقق المنتجون تحكمًا دقيقًا في الجسيمات، ونقاءً عاليًا، وأداءً متسقًا - مما يضع أساسًا متينًا للجيل القادم من بطاريات الليثيوم أيون عالية الكثافة الطاقية.
هل أنت مستعد لتسريع ثورة السيليكون والكربون؟
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين