Le prestazioni pratiche dei materiali anodici in carbonio duro nelle batterie agli ioni di sodio dipendono fortemente dalla loro microstruttura e dimensione delle particelle La distribuzione (PSD) e la morfologia sono fattori chiave che determinano i percorsi di diffusione degli ioni, la densità di impaccamento degli elettrodi, l'efficienza coulombiana del primo ciclo e la stabilità del ciclo. Mulino a getto d'aria, come il più comunemente usato macinazione ultrafine metodo nella preparazione del carbonio duro, i cui parametri di processo influenzano direttamente il risultato finale dimensione delle particelle, ampiezza di distribuzione e caratteristiche morfologiche, influenzando così profondamente le prestazioni elettrochimiche. Questo articolo analizzerà sistematicamente i principali parametri di processo di fresatura a getto d'aria e i loro effetti specifici sulla dimensione delle particelle e sulla morfologia del carbonio duro.
Principio del mulino a getto d'aria e parametri chiave del processo
Mulino a getto d'aria (noto anche come mulino a getto contrapposto a letto fluido O mulino a getto piatto) accelera le particelle a velocità supersoniche utilizzando gas ad alta pressione (solitamente azoto o aria compressa) e le frantuma attraverso collisioni al centro della camera di macinazione. I principali parametri di processo regolabili includono:
- Pressione di fresatura (0,6–1,2 MPa)
- Velocità della ruota del classificatore (1000–5000 giri/min)
- Velocità di alimentazione (kg/h)
- Rapporto tra portata d'aria ausiliaria e portata d'aria principale
Questi parametri determinano collettivamente l'energia di collisione, il tempo di residenza e l'accuratezza della classificazione delle particelle.
Influenza sulla distribuzione granulometrica (PSD) dei materiali anodici in carbonio duro
| Parametro di processo | Effetto sulla dimensione delle particelle (aumento) | Intervallo di variazione tipico D50 | Effetto sulla larghezza di distribuzione (Span) |
| Pressione di macinazione | D50 diminuisce significativamente | 12μm→4μm | Prima si restringe, poi si allarga leggermente |
| Velocità della ruota del classificatore | D50 diminuisce linearmente | 10μm→3μm | Si restringe significativamente (mezzo più efficace) |
| Tasso di alimentazione | D50 aumenta, aumentano le particelle più grandi | 5μm→15μm | La distribuzione si amplia notevolmente |
| Flusso d'aria ausiliario | Il rapporto tra particelle fini aumenta, la variazione di D50 è insignificante | – | Riduce la coda fine, l'apertura alare diminuisce leggermente |
I dati misurati mostrano:
- Quando la pressione di macinazione aumenta da 0,7 MPa a 1,0 MPa, il D50 del carbonio duro diminuisce da 10,2 μm a 5,1 μm.
- A una pressione di 1,0 MPa, quando la velocità della ruota del classificatore aumenta da 1800 giri/min a 3600 giri/min, D50 diminuisce ulteriormente da 5,1 μm a 2,8 μm, mentre il valore Span ((D90-D10)/D50) diminuisce da 1,45 a 0,92, mostrando una distribuzione più ristretta.
Una distribuzione granulometrica stretta e concentrata migliora significativamente l'elettrodo rivestimento uniformità, riduce i fenomeni di sovraccarico/scaricamento locale e migliora l'efficienza del primo ciclo (l'efficienza del primo ciclo del carbonio duro può aumentare di 3–8%).
Influenza sulle caratteristiche morfologiche delle particelle dei materiali anodici in carbonio duro
Il mulino a getto d'aria è un tipico processo di "auto-fresatura". Rispetto alla macinazione a forza esterna, come la macinazione a sfere, presenta le seguenti caratteristiche morfologiche:
- Sfericità aumentata: Le collisioni multiple ad alta velocità arrotondano continuamente gli angoli acuti delle particelle, migliorandone la circolarità da 0,65-0,75 a 0,88-0,94, rendendole più sferiche.
- Miglioramento della levigatezza della superficie: L'attrito da collisione rimuove le sbavature superficiali e le microfessure, riducendo l'area di crescita del film SEI (interfase elettrolitica solida), il che aiuta a minimizzare la perdita irreversibile di capacità.
- Prevenzione della macinazione eccessiva e dell'aggregazione: Rispetto alla macinazione meccanica, la macinazione a getto d'aria funziona a temperature più basse (<80℃), con conseguente minore attività superficiale delle particelle e una minore tendenza all'aggregazione secondaria, con conseguente migliore dispersione.
- Fenomeno speciale: formazione di fogli a pressione eccessiva: Quando la pressione di macinazione supera 1,2 MPa e il carbonio duro stesso presenta un elevato grado di grafitizzazione, alcune particelle possono presentare delaminazione lungo gli strati, formando una morfologia laminare. Ciò aumenta la superficie specifica (>50 m²/g), il che può ridurre l'efficienza del primo ciclo. Questo fenomeno può essere evitato controllando rigorosamente la pressione a ≤1,0 MPa.
Impatto pratico delle dimensioni e della morfologia delle particelle sulle prestazioni elettrochimiche (dati tipici)
| D50 (μm) | Span | Superficie specifica (m²/g) | Densità del rubinetto (g/cm³) | Prima capacità reversibile (mAh/g) | Efficienza del primo ciclo (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 12.5 | 1.82 | 8.5 | 0.92 | 308 | 84.2 |
| 7.8 | 1.21 | 12.3 | 1.05 | 332 | 88.7 |
| 4.2 | 0.89 | 18.6 | 1.12 | 341 | 91.3 |
| 2.9 | 0.93 | 31.2 | 1.08 | 338 | 89.1* |
Nota: una finezza eccessiva determina una superficie specifica eccessivamente grande, che a sua volta riduce l'efficienza del primo ciclo.
La finestra di prestazioni ottimale si trova in genere nell'intervallo D50 4–8 μm e Span <1,2.
Raccomandazioni per l'ottimizzazione dei processi industriali
Combinazione di parametri consigliata (per carbone duro a base di biomassa/resina fenolica):
- Pressione di macinazione: 0,85-0,95 MPa
- Velocità della ruota del classificatore: 2800-3400 giri/min
- Velocità di alimentazione: Non superare 70% della capacità nominale dell'apparecchiatura
- Processo di fresatura a getto d'aria a due stadi: Utilizzare una prima fase per la macinazione grossolana (bassa velocità) + una seconda fase per la macinazione fine (alta velocità) per bilanciare la resa e l'uniformità delle dimensioni delle particelle.
- Implementare il monitoraggio online in tempo reale delle dimensioni delle particelle (diffrazione laser) con controllo automatico del feedback della velocità della ruota del classificatore per ottenere un controllo della distribuzione a circuito chiuso.
Conclusione
Il processo di macinazione a getto d'aria, attraverso il controllo preciso della pressione di macinazione, della velocità della ruota di classificazione e della velocità di avanzamento, può regolare la distribuzione granulometrica e la morfologia dei materiali anodici in carbonio duro entro un ampio intervallo. Tra questi, la velocità della ruota di classificazione è il mezzo più efficace per controllare l'ampiezza della distribuzione, mentre una pressione di macinazione ottimale (0,6-1,0 MPa) può ottenere un D50 ridotto, un'elevata sfericità delle particelle e un'area superficiale specifica adeguata. Un'ottimizzazione ragionevole di questi parametri può portare a una microstruttura ideale con "distribuzione ristretta, elevata sfericità e area superficiale specifica moderata", che si traduce in una maggiore capacità reversibile, efficienza al primo ciclo e stabilità del ciclo nelle batterie agli ioni di sodio. Questa controllabilità del processo è una delle principali garanzie tecnologiche per l'industrializzazione su larga scala degli anodi in carbonio duro.
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— Pubblicato da Emily Chen