Nadelkoks ist ein Hochleistungs-Kohlenstoffmaterial mit metallischem Glanz und silbergrauer Farbe. Seine Oberflächenstruktur ist faserig oder nadelartig und fühlt sich glatt an. Es enthält kleine, ovale Poren. Nadelkoks Besteht aus hochmolekularen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit flachen aromatischen Schichten. Es weist eine graphitähnliche mikrokristalline Struktur mit hoher Einheitsorientierung auf. Die mikroskopische Struktur folgt dem Franklin-Modell und ist ein typischer graphitierbarer Kohlenstoff. Es ist ein ideales Material zur Herstellung von porösem Kohlenstoff. Bei Erhitzung über 2000 °C bildet es graphitähnliche Schichtstrukturen.
Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, geringen Wärmeausdehnung und Thermoschockbeständigkeit wird Nadelkoks häufig in der Stahlherstellung, in Graphitelektroden, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen eingesetzt. In den letzten Jahren hat er sich weltweit zu einem wichtigen Forschungsthema in der Materialwissenschaft entwickelt.
Nadelkokse lassen sich je nach Rohstoffquelle in kohle- und erdölbasierte Typen unterteilen. Kohlebasierter Nadelkoks wird durch Hochtemperaturkarbonisierung von Kohlenteer, Kohlenteerpech oder Entspannungsdestillationsöl hergestellt.
Nadelkoks auf Erdölbasis wird durch Hochtemperaturkarbonisierung von Ethylenteer, Vakuum- und thermischem Crackrückstandsöl oder katalytischem Crackölschlamm hergestellt. Aufgrund seines geringen Schwefel-, Asche- und Metallgehalts sowie seiner einfachen Graphitisierung ist er derzeit der wichtigste Rohstoff für künstlichen Graphit. Allerdings sind die Produktionskosten hoch und die Anforderungen an die Rohstoffe sind streng.
Herstellung von Nadelkoks
Nadelkoks wird durch Flüssigphasenkarbonisierung hergestellt. Dabei pyrolysieren und polymerisieren die Rohstoffe schrittweise zu Mesophasenkugeln, die anschließend wachsen, verschmelzen, sich ausrichten und schließlich zu einer faserigen, nadelartigen Struktur karbonisieren. Der Produktionsprozess umfasst die Vorbehandlung der Rohstoffe, die verzögerte Verkokung und die Kalzinierung.
Die verzögerte Verkokung, der Hauptschritt der Verkokung, umfasst Destillation und Karbonisierung, wodurch raffiniertes Pech und Koks entstehen. Durch die Kalzinierung werden flüchtige Stoffe und Feuchtigkeit entfernt, um die Dichte zu verbessern.
Kohlebasierter Nadelkoks erfordert eine strengere Vorbehandlung als erdölbasierter Nadelkoks, beide Typen sind jedoch in Struktur und Anwendung ähnlich. Erdölbasierter Nadelkoks zeichnet sich jedoch durch niedrigere Produktionskosten und eine höhere Marktkapazität aus.
Die Graphitierung von Nadelkoks umfasst Prozesse wie Zerkleinern, Schleifen, Oberflächenmodifizierung, Wärmebehandlung und Oberflächenmodifizierung, ähnlich der Kohlegraphitierung. Nadelkoks, ein weicher Kohlenstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringen Verunreinigungen, wird häufig in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Er hat jedoch eine geringe theoretische Kapazität, und seine Verwendung in Batterien erfordert eine Hochtemperaturgraphitierung, um künstlichen Graphit zu erhalten.
Die Forschung zu Anodenmaterialien auf Nadelkoksbasis für Lithium-Ionen-Batterien konzentriert sich auf Modifikations- und Verbundtechniken zur Verbesserung der Kapazität und Senkung der Kosten, um der wachsenden Nachfrage nach Batterien mit hoher Energiedichte, schneller Aufladung und Sicherheit gerecht zu werden.
Anwendung von Nadelkoks in verschiedenen Bereichen
Nadelkoks hat drei Hauptanwendungen: Hochleistungselektroden, spezielle Kohlenstoffmaterialien und Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Hochleistungsgraphitelektroden aus Nadelkoks werden in Lichtbogenöfen zur Stahlerzeugung eingesetzt. Die Stahlerzeugung im Lichtbogenofen bietet Vorteile wie geringe Umweltverschmutzung und niedrigen Energieverbrauch. Hochleistungsgraphitelektroden aus Nadelkoks zeichnen sich durch geringe Wärmeausdehnung, hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe mechanische Festigkeit aus.
Diese Elektroden erhitzen und schmelzen Metalle effizient in Lichtbogenöfen. Als Anodenmaterial ist Nadelkoks, ein weicher Kohlenstoff, leicht graphitierbar und kostengünstig. Nach Hochtemperatur-Wärmebehandlung bildet er künstlichen Graphit mit guter Zyklenstabilität und hoher spezifischer Kapazität.
Anwendung von nadelförmigem Koks in Graphitelektroden
Graphitelektroden werden hauptsächlich in Lichtbogenöfen, Reduktoröfen und Widerstandsöfen verwendet. Die Stahlerzeugung in Lichtbogenöfen ist umweltfreundlicher als die in Hochöfen, was in vielen Ländern zu günstigen politischen Rahmenbedingungen führt. Der zunehmende Umfang der Stahlerzeugung in Lichtbogenöfen hat die Nachfrage nach Graphitelektroden in die Höhe getrieben. Derzeit geht der Trend bei der Stahlerzeugung in Lichtbogenöfen hin zu größeren und leistungsstärkeren Öfen. Dadurch werden die Anforderungen an Graphitelektroden immer strenger. Da die maximal zulässige Stromstärke von Graphitelektroden für Lichtbogenöfen positiv mit ihrem Durchmesser korreliert, ist die Entwicklung von Graphitelektroden mit großem Durchmesser unerlässlich. Die Herstellung von Graphitelektroden mit großem Durchmesser erfordert hochwertigen Nadelkoks.
Anwendung von nadelförmigem Koks in der negativen Elektrode einer Alkalimetall-Ionen-Batterie
Derzeit umfassen Alkalimetall-Ionen-Batterien hauptsächlich Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Kalium-Ionen-Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind im täglichen Leben weit verbreitet. Natrium-Ionen- und Kalium-Ionen-Batterien haben als alternative Energiespeichersysteme besondere Aufmerksamkeit erregt.
Alkalimetallionenbatterien bestehen hauptsächlich aus Kathode, Anode, Elektrolyt, Separator und Batteriegehäuse. Das Anodenmaterial als Schlüsselkomponente beeinflusst maßgeblich die Gesamtleistung der Batterie. Kommerzielle Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien umfassen künstlichen Graphit und natürlichen Graphit, wobei künstlicher Graphit 80% ausmacht. Künstlicher Graphit kann in ölbasierten Koks und kohlebasierten Koks unterteilt werden. Ölbasierten Koks kann weiter in Petrolkoks und Nadelkoks unterteilt werden. Anodenmaterialien aus Nadelkoks haben gute chemisch Stabilität, hohe Kapazität und ausgezeichnete Leitfähigkeit. Sie werden zur Herstellung von Elektrodenmaterialien mit hoher Pressdichte und hoher Energiedichte verwendet.
Anwendung von Nadelkoks in Superkondensatoren
Superkondensatoren, die die Eigenschaften von Kondensatoren und Batterien vereinen, haben in den letzten Jahren als Energiespeicher an Bedeutung gewonnen. Sie bieten eine höhere Energiedichte als herkömmliche Kondensatoren und eine höhere Leistungsdichte als Sekundärbatterien und weisen eine um ein Vielfaches längere Zyklenlebensdauer auf. Superkondensatoren können zur Energierückgewinnung und -abgabe beim Anfahren, Beschleunigen und Bremsen verschiedener Fahrzeuge eingesetzt werden. Meist werden Superkondensatoren mit Sekundärbatterien oder Brennstoffzellen mit hoher Energiedichte zu Hybridantrieben kombiniert. Diese Kombination erfüllt die Anforderungen von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben an hohe Laderaten, hohe spezifische Kapazität und hohe Energierückgewinnungseffizienz.
Nadelkoks zur Graphenherstellung
Graphen verfügt über hervorragende optische, elektrische und mechanische Eigenschaften und findet breite Anwendung in Materialwissenschaften, Energie und Biomedizin. Die wichtigsten Herstellungsverfahren für Graphen sind mechanische Exfoliation, epitaktisches Wachstum auf Siliziumkarbid, Lösungsmittelexfoliation, chemische Exfoliation (Oxidation/Reduktion) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Die meisten dieser Verfahren, wie mechanische Exfoliation und Lösungsmittelexfoliation, werden jedoch typischerweise im Labor eingesetzt. Die CVD-Methode ist zwar effektiv, aber relativ komplex und teurer.
Nadelkoks für die Photovoltaikindustrie
Farbstoffsolarzellen (DSSCs) entwickeln sich zu einem neuen Photovoltaik-Bauelement und entwickeln sich zu einem Forschungsschwerpunkt. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen bieten DSSCs Vorteile wie eine längere Lebensdauer (15–20 Jahre), eine einfache industrielle Produktion im großen Maßstab, einen kurzen Energierückgewinnungszyklus, geringere Produktionskosten (nur 1/10 bis 1/5 der Kosten von Silizium-Solarzellen) und ungiftige, umweltfreundliche Herstellungsverfahren. In den letzten Jahren haben Forscher herausgefunden, dass Nadelkoks eine hohe Leitfähigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrokatalytische Aktivität für Triiodid aufweist. Darüber hinaus machen seine geringen Kosten ihn zu einem vielversprechenden Elektrodenmaterial für Farbstoffsolarzellen.
Abschluss
Nadelkoks, ein hochgeordnetes Kohlenstoffmaterial, ist aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit und geringen Verunreinigung für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar. Eine kombinierte Mahlmodifizierung optimiert die Partikelstruktur, erhöht die Kapazität und reduziert den energieintensiven Verarbeitungsaufwand. Dies entspricht den Anforderungen an nachhaltige, energiereiche Batterien.
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