Le graphite est l'un des membres les plus classiques de la famille du carbone. Il a longtemps dominé les matériaux d'anode des batteries lithium-ion, grâce à son excellente conductivité thermique et électrique. Le graphite offre également une résistance aux hautes températures et des propriétés lubrifiantes. Il est classé comme matière première critique par l'UE et les États-Unis. L'Australie et d'autres régions ont adopté des classifications stratégiques similaires. Du graphite naturel en paillettes au graphite de haute pureté, ses applications ne cessent de se développer. Le graphite sphérique et les graphites spéciaux accroissent encore sa valeur industrielle. La famille du graphite présente une grande polyvalence dans de nombreux secteurs, notamment la métallurgie, l'électronique, la chimie et l'aérospatiale. Des procédés de fabrication avancés, en particulier pour le graphite, permettent d'obtenir des résultats remarquables. broyage ultrafin, permet ces applications hautes performances.
Cependant, face à la croissance rapide des véhicules à énergies nouvelles et des systèmes de stockage d'énergie, la capacité théorique des anodes en graphite conventionnelles (372 mAh/g) atteint ses limites, rendant difficile la satisfaction de la demande en batteries à plus haute densité énergétique. Les matériaux d'anode silicium-carbone apparaissent donc comme une technologie de rupture essentielle pour surmonter cet obstacle.
Du graphite en paillettes et du graphite microcristallin naturels au graphite artificiel, au graphite de haute pureté, au graphite spécial, au graphite sphérique de qualité batterie et au graphène, le système de matériaux graphitiques évolue continuellement vers une pureté et une contrôlabilité accrues. la taille des particules, des niveaux d'impuretés plus faibles et une plus grande homogénéité. Cette évolution est indissociable des progrès réalisés dans le broyage ultrafin du graphite, classification, et modification de la surface technologies.
Graphite naturel : une source de carbone fondamentale pour Anodes silicium-carbone
Le graphite naturel est du graphite minéral Le graphite naturel se forme naturellement et ses caractéristiques de cristallisation déterminent directement ses procédés de transformation et ses applications potentielles. À l'échelle industrielle, on distingue généralement le graphite cristallin et le graphite microcristallin.
Graphite cristallin (graphite en paillettes et graphite dense)
Le graphite en paillettes se présente sous forme de cristaux lamellaires ou lamellaires, généralement de plus de 1 μm. Il possède d'excellentes propriétés de flottabilité, de lubrification et de plasticité, ce qui en fait la matière première de choix pour la production d'anodes sphériques en graphite et en composite silicium-carbone.
Dans la préparation des matériaux d'anode, le graphite en paillettes subit généralement une mise en forme mécanique, un broyage ultrafin, une classification et une purification pour obtenir une distribution granulométrique et une surface spécifique appropriées.
Le graphite dense cristallin (en blocs) contient généralement du carbone de type 60% à 65% et présente une plasticité et un pouvoir lubrifiant inférieurs. Son utilisation dans les anodes des batteries au lithium est limitée ; il est principalement employé dans les domaines traditionnels des réfractaires et de la métallurgie.
graphite microcristallin
Le graphite microcristallin est constitué de cristallites extrêmement fines et présente un aspect mat et terreux. Il affiche généralement une pureté naturelle élevée, certains gisements dépassant même la teneur en carbone 90%. Grâce aux progrès réalisés en matière de purification à haute température et fraisage par jet Dans les technologies actuelles, le graphite microcristallin est de plus en plus utilisé comme additif conducteur et dans les matériaux carbonés.revêtement systèmes pour anodes silicium-carbone.
Graphite artificiel et de haute pureté : stabilisateurs de performance pour les anodes silicium-carbone
Le graphite artificiel est produit à partir de coke de pétrole et de brai coke, qui sont ensuite mis en forme, cuits et graphitisés à haute température. Grâce à sa structure hautement contrôlable et à sa grande pureté, il constitue un matériau essentiel pour les anodes des batteries haute puissance.
Graphite de haute pureté
Le graphite de haute pureté désigne généralement un graphite dont la teneur en carbone est ≥ 99,91 TP3T (ou ≥ 99,991 TP3T dans certaines applications). Ses principaux avantages sont les suivants :
- Conductivité électrique élevée et faible résistance interne
- Excellent chimique stabilité
- Teneur en impuretés et en ions métalliques extrêmement faible
Dans les systèmes d'anodes silicium-carbone, le graphite de haute pureté est souvent utilisé comme structure conductrice ou comme source de revêtement carboné. Grâce à un broyage et un classement précis, la taille et la morphologie de ses particules peuvent être finement contrôlées, ce qui contribue à atténuer la forte dilatation volumique du silicium.
Graphite sphérique : l’ossature structurelle des anodes silicium-carbone
Le graphite sphérique est produit à partir de graphite en paillettes à haute teneur en carbone par mise en forme mécanique, broyage, classification et modification de surface, formant des particules ellipsoïdales. Il s'agit de la morphologie la plus courante pour les anodes des batteries lithium-ion.
Le silicium possède une capacité théorique pouvant atteindre 4 200 mAh/g, soit plus de dix fois celle du graphite, mais subit une expansion volumique pouvant atteindre 3 001 mAh/g lors des cycles de charge/décharge, entraînant la pulvérisation des particules, la rupture répétée de l’interface électrolyte solide (SEI) et une dégradation rapide de la capacité. Les anodes silicium-carbone permettent de pallier ce problème en associant du nano-silicium (ou SiOx) à des matériaux carbonés, notamment le graphite.
Les principales méthodes de préparation des anodes silicium-carbone comprennent :
- Broyage à boulets, où le nano-silicium est physiquement mélangé ou déposé sur du graphite sphérique ou artificiel ;
- Dépôt chimique en phase vapeur (CVD), où le nano-silicium est déposé dans des matrices de carbone poreuses (souvent du graphite ou du carbone dur), actuellement la voie industrielle dominante.
Dans ces procédés, le graphite sphérique joue un rôle essentiel. Sa forme arrondie, sa bonne fluidité et sa densité apparente élevée en font la matrice composite de choix. Après modification de surface, le graphite sphérique peut former des structures composites stables de type cœur-coquille ou poreuses avec du nano-silicium, améliorant ainsi considérablement la mise en œuvre et la stabilité cyclique.
Le graphite de haute pureté et le graphite expansé sont également largement utilisés pour construire des réseaux conducteurs ou fournir un tampon de volume, tandis que les anodes en silicium-carbone améliorées au graphène sont devenues un axe de recherche majeur ces dernières années.
Graphène et graphite expansé : agents d’amélioration fonctionnelle dans les systèmes silicium-carbone
Le graphène, composé d'une ou de quelques couches d'atomes de carbone, offre une conductivité électrique et une résistance mécanique exceptionnelles. Dans les anodes silicium-carbone, il sert à former des réseaux conducteurs, améliorant ainsi la capacité de charge/décharge et la durée de vie des cycles. Sa préparation repose essentiellement sur le broyage ultrafin et l'exfoliation de graphite de haute pureté.
Le graphite expansé et le graphite flexible servent de revêtement de carbone ou de matériaux tampons. Sous l'effet de la dilatation à haute température et de la compression mécanique, ils forment des structures poreuses qui compensent efficacement les variations de volume du silicium.
Graphite de spécialité et de qualité nucléaire : fondements de la fabrication d’équipements de pointe et d’anodes
Le graphite spécial et le graphite de qualité nucléaire se caractérisent par une pureté, une densité et une uniformité structurale extrêmement élevées. Ils sont largement utilisés dans :
- Réacteurs de revêtement de carbone pour matériaux en silicium
- Revêtements pour fours de traitement thermique à haute température
- Équipement de graphitisation pour la production d'anodes silicium-carbone
Leur fabrication repose en grande partie sur le pressage isostatique, le broyage ultrafin et la purification à haute température, avec un contrôle rigoureux de la taille des particules et des impuretés à l'état de traces.
Équipements de broyage : le “ héros de l’ombre ” de la production d’anodes silicium-carbone
Les performances des anodes silicium-carbone dépendent fortement de l'uniformité des particules et du contrôle structurel à l'échelle nanométrique, ce qui fait des équipements de broyage un élément essentiel du processus :
- Broyeurs à billes à haute énergieUtilisé pour le nano-dimensionnement du silicium et son mélange uniforme avec du graphite, permettant la dispersion ou le revêtement du silicium par impact et cisaillement intenses.
- Broyeurs nano / broyeurs à billesLargement utilisé dans les procédés humides pour réduire les particules de silicium à moins de 50 nm tout en minimisant l'agglomération.
- Le broyage combiné au séchage par pulvérisationDe nombreux procédés avancés consistent d'abord à préparer des suspensions uniformes par broyage à billes ou à billes, suivi d'un séchage par pulvérisation et d'une carbonisation pour former des particules composites quasi sphériques.
Ces systèmes de broyage déterminent directement la granulométrie, la surface spécifique, l'efficacité coulombique initiale, la durée de vie et les performances en cyclage. Avec l'essor des procédés CVD, les équipements de broyage sont de plus en plus utilisés pour concevoir avec précision des structures de carbone poreuses en vue du dépôt ultérieur de silicium.
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— Publié par Emily Chen