El grafito es uno de los miembros más clásicos de la familia del carbono. Ha dominado durante mucho tiempo los materiales para ánodos de baterías de iones de litio. Esto se debe a su excelente conductividad térmica y eléctrica. El grafito también ofrece resistencia a altas temperaturas y propiedades lubricantes. Ha sido catalogado como materia prima crítica por la UE y Estados Unidos. Australia y otras regiones han realizado clasificaciones estratégicas similares. Desde el grafito natural en escamas hasta el grafito de alta pureza, sus aplicaciones continúan expandiéndose. El grafito esférico y el grafito especial amplían aún más su valor industrial. La familia del grafito muestra una gran versatilidad en diversas industrias. Los campos típicos incluyen la metalurgia, la electrónica, la química y la industria aeroespacial. Procesamiento avanzado, especialmente el grafito. molienda ultrafina, permite estas aplicaciones de alto rendimiento.
Sin embargo, con el rápido crecimiento de los vehículos de nueva energía y los sistemas de almacenamiento de energía, la capacidad teórica de los ánodos de grafito convencionales (372 mAh/g) se acerca a su límite, lo que dificulta satisfacer la demanda de baterías de mayor densidad energética. Por lo tanto, los materiales de ánodos de silicio-carbono se han convertido en una tecnología innovadora clave para superar este obstáculo.
Desde el grafito en escamas natural y el grafito microcristalino hasta el grafito artificial, el grafito de alta pureza, el grafito especial, el grafito esférico de grado de batería y el grafeno, el sistema de materiales de grafito está en continua evolución hacia una pureza mayor y controlable. tamaño de partícula, menores niveles de impurezas y mayor consistencia. Esta evolución es inseparable de los avances en la molienda ultrafina de grafito., clasificación, y modificacion superficial tecnologías.
Grafito natural: una fuente fundamental de carbono para Ánodos de silicio y carbono
El grafito natural es un grafito. mineral Se forma en la naturaleza, y sus características de cristalización determinan directamente sus rutas de procesamiento y su potencial de aplicación. Industrialmente, el grafito natural se clasifica típicamente en grafito cristalino y grafito microcristalino.
Grafito cristalino (grafito en escamas y denso)
El grafito en escamas se presenta en cristales laminares o en forma de hoja, generalmente mayores de 1 μm. Presenta excelente flotabilidad, lubricidad y plasticidad, lo que lo convierte en la materia prima preferida para la producción de grafito esférico y ánodos compuestos de silicio-carbono.
En la preparación del material del ánodo, el grafito en escamas generalmente se somete a conformación mecánica, molienda ultrafina, clasificación y purificación para lograr una distribución adecuada del tamaño de partícula y un área de superficie específica.
El grafito cristalino denso (en bloque) generalmente contiene carbono 60%–65%, con menor plasticidad y lubricidad. Su aplicación en ánodos de baterías de litio es limitada y se emplea principalmente en los sectores refractario y metalúrgico tradicionales.
Grafito microcristalino
El grafito microcristalino está compuesto por cristales extremadamente finos y tiene un aspecto mate y terroso. Presenta típicamente una alta calidad natural, con algunos depósitos que superan el carbono 90%. Con los avances en la purificación a alta temperatura y fresado por chorro En el ámbito de las tecnologías de recubrimiento, el grafito microcristalino se utiliza cada vez más en aditivos conductores y en resinas de carbono.revestimiento sistemas para ánodos de silicio-carbono.
Grafito artificial y de alta pureza: estabilizadores de rendimiento para ánodos de silicio-carbono
El grafito artificial se produce a partir de coque de petróleo y coque de brea como agregados, moldeado, horneado y grafitizado a altas temperaturas. Gracias a su estructura altamente controlable y su alta pureza, es un material esencial para los ánodos de baterías de alta potencia.
Grafito de alta pureza
El grafito de alta pureza se refiere típicamente al grafito con un contenido de carbono ≥99,91 TP₃T (o ≥99,991 TP₃T en algunas aplicaciones). Sus principales ventajas incluyen:
- Alta conductividad eléctrica y baja resistencia interna.
- Excelente químico estabilidad
- Contenido extremadamente bajo de impurezas e iones metálicos
En los sistemas de ánodos de silicio-carbono, el grafito de alta pureza se utiliza a menudo como estructura conductora o fuente de recubrimiento de carbono. Mediante una molienda y clasificación precisas, se puede controlar con precisión el tamaño y la morfología de sus partículas, lo que ayuda a mitigar la drástica expansión de volumen del silicio.
Grafito esférico: la columna vertebral estructural de los ánodos de silicio-carbono
El grafito esférico se produce a partir de grafito en escamas con alto contenido de carbono mediante conformado mecánico, molienda, clasificación y modificación superficial, formando partículas elipsoidales. Es la morfología habitual para los ánodos de baterías de iones de litio.
El silicio tiene una capacidad teórica de hasta 4200 mAh/g (más de diez veces la del grafito), pero sufre una expansión de volumen de hasta 3001 TP3T durante el ciclo, lo que provoca la pulverización de partículas, la ruptura repetida de SEI y una rápida disminución de la capacidad. Los ánodos de silicio-carbono abordan este desafío mediante la composición de nanosilicio (o SiOx) con materiales de carbono, en particular grafito.
Las principales rutas de preparación para ánodos de silicio-carbono incluyen:
- Molienda de bolas, donde el nanosilicio se mezcla físicamente o se recubre sobre grafito esférico o artificial;
- Deposición química de vapor (CVD), donde el nanosilicio se deposita dentro de matrices de carbono porosas (a menudo grafito o carbono duro), actualmente la ruta industrial dominante.
En estos procesos, el grafito esférico desempeña un papel fundamental. Su forma redondeada, su buena fluidez y su alta densidad de compactación lo convierten en la matriz compuesta preferida. Tras la modificación superficial, el grafito esférico puede formar estructuras estables de núcleo-capa o porosas con nanosilicio, lo que mejora significativamente la procesabilidad y la estabilidad cíclica.
El grafito de alta pureza y el grafito expandido también se utilizan ampliamente para construir redes conductoras o proporcionar amortiguación de volumen, mientras que los ánodos de silicio-carbono mejorados con grafeno se han convertido en un importante foco de investigación en los últimos años.
Grafeno y grafito expandido: potenciadores funcionales en sistemas silicio-carbono
El grafeno, compuesto por una o pocas capas de átomos de carbono, ofrece una conductividad eléctrica y una resistencia mecánica excepcionales. En los ánodos de silicio-carbono, el grafeno se utiliza para construir redes conductoras, mejorando la capacidad de velocidad y la vida útil. Su preparación se basa en gran medida en la molienda ultrafina y la exfoliación de grafito de alta pureza.
El grafito expandido y el grafito flexible sirven como materiales de recubrimiento o amortiguación de carbono. Mediante la expansión a alta temperatura y la compresión mecánica, forman estructuras porosas que se adaptan eficazmente a los cambios de volumen del silicio.
Grafito especial y de grado nuclear: Fundamentos para la fabricación de equipos avanzados y ánodos
El grafito especial y el grafito de grado nuclear se caracterizan por su pureza, densidad y uniformidad estructural extremadamente altas. Se utilizan ampliamente en:
- Reactores de recubrimiento de carbono para materiales de silicio
- Revestimientos para hornos de tratamiento térmico de alta temperatura
- Equipos de grafitización para la producción de ánodos de silicio-carbono
Su fabricación se basa en gran medida en prensado isostático, molienda ultrafina y purificación a alta temperatura, con un estricto control sobre el tamaño de las partículas y las impurezas traza.
Equipos de molienda: El "héroe tras bastidores" de la producción de ánodos de silicio-carbono
El rendimiento de los ánodos de silicio-carbono depende en gran medida de la uniformidad de las partículas y del control estructural a escala nanométrica, lo que hace que el equipo de molienda sea un componente central del proceso:
- Molinos de bolas de alta energía:Se utiliza para nanodimensionar silicio y componerlo uniformemente con grafito, lo que permite la dispersión o el recubrimiento de silicio mediante un impacto y cizallamiento intensos.
- Nanomolinillos / molinos de bolas:Se aplica ampliamente en procesos húmedos para reducir las partículas de silicio por debajo de 50 nm minimizando la aglomeración.
- Molienda combinada con secado por aspersión:Muchos procesos avanzados primero preparan suspensiones uniformes mediante molienda de bolas o perlas, seguido de secado por aspersión y carbonización para formar partículas compuestas cuasi esféricas.
Estos sistemas de molienda determinan directamente la distribución del tamaño de partícula, el área superficial específica, la eficiencia culómbica inicial, la vida útil del ciclo y el rendimiento de la velocidad. Con el auge de las rutas basadas en CVD, los equipos de molienda se utilizan cada vez más para diseñar con precisión estructuras de carbono porosas para la posterior deposición de silicio.
Conclusión: Polvo épico Potenciando el futuro del silicio y el carbono
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— Publicado por Emily Chen