I materiali al carbonio sono materiali non metallici ottenuti da carbone, petrolio o dai loro prodotti trasformati attraverso carbonizzazione, attivazione, macinazione a sfere, essiccazione a spruzzo e altre fasi di lavorazione. Il carbonio è il loro componente principale. Diamante, grafite, grafene, nanotubi di carbonio (CNT) e compositi carbonio/carbonio appartengono tutti ai materiali al carbonio. Con lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio e di nuovi dispositivi di accumulo di energia, i materiali al carbonio sono diventati materiali funzionali chiave. Le loro proprietà influenzano direttamente la densità energetica della batteria, la durata del ciclo e le prestazioni di carica.
Attrezzatura per la macinazione di polveri ultrafini La macinazione ultrafine svolge un ruolo fondamentale nella preparazione e modifica dei materiali al carbonio. Grazie all'efficienza di macinazione, classificazione e trattamento superficiale, la macinazione ultrafine consente una lavorazione precisa del materiale al carbonio. Ciò fornisce una base materiale ad alte prestazioni per le batterie al litio. In particolare, la macinazione ultrafine dei materiali al carbonio migliora l'uniformità delle particelle e la reattività superficiale, fattori fondamentali per le applicazioni di batterie ad alte prestazioni.
Materiali anodici: applicazione del nucleo
I materiali in carbonio sono quelli maggiormente impiegati negli anodi.
- Anodi a base di grafite:Quasi tutti gli anodi commerciali per batterie agli ioni di litio utilizzano grafite o suoi derivati.
- Principio di funzionamento: Durante la carica, gli ioni di litio si intercalano negli strati di grafite per formare composti litio-carbonio (LiC₆); durante la scarica, si deintercalano. Questo processo è altamente reversibile e fornisce una piattaforma di carica-scarica stabile.
- Vantaggi: Ampiamente disponibili, a basso costo, con lunga durata, piattaforma di tensione stabile e buona sicurezza. Tra gli esempi figurano la grafite naturale, la grafite artificiale e le microsfere di mesocarbonio (MCMB).
- Anodi in carbonio duro / carbonio morbido: I materiali al carbonio disordinati hanno una capacità maggiore ma un'efficienza coulombiana iniziale leggermente inferiore. Sono tipicamente utilizzati nelle batterie agli ioni di sodio o in applicazioni con requisiti di potenza inferiori.
Ruolo della macinazione di polveri ultrafini:
Apparecchiature di macinazione ultrafine come mulino a sferes, mulini a vibrazione e mulini a getto È possibile macinare grafite o materiali di carbonio duro fino a scala nano o sub-micronica. Ciò aumenta significativamente la superficie specifica e l'area di intercalazione del litio. Migliora inoltre la densità dell'elettrodo e le prestazioni di carica e scarica. Inoltre, pone le basi per successivi rivestimenti e modifiche superficiali. La macinazione ultrafine dei materiali di carbonio è particolarmente efficace nel migliorare le prestazioni elettrochimiche, migliorando l'uniformità e riducendo l'agglomerazione delle particelle.
Additivi conduttivi
Quasi tutti gli elettrodi aggiungono materiali di carbonio 1%-5% come additivi conduttivi. Lo scopo è quello di migliorare la conduttività elettronica, ridurre la resistenza interna e migliorare le prestazioni di velocità.
- Materiali comuni in carbonio: Nero di carbonio (nero acetilene, Super P), nanotubi di carbonio (CNT), grafene, ecc.
- Applicazioni di fascia alta: I CNT e il grafene possono formare una rete conduttiva tridimensionale con un contenuto di additivi inferiore, ottenendo al contempo una conduttività superiore.
Ottimizzazione tramite lavorazione delle polveri:
Utilizzando mulini a getto o mulini classificatori ad aria La macinazione ultrafine e la dispersione del nerofumo o dei nanotubi di carbonio possono migliorare l'uniformità delle dimensioni delle particelle e la disperdibilità. Riduce inoltre l'agglomerazione e forma una rete conduttiva più uniforme nelle sospensioni degli elettrodi. Questo processo migliora le prestazioni di carica/scarica e la stabilità del ciclo della batteria.
Scheletri compositi per materiali catodici
Nei materiali catodici avanzati, i materiali al carbonio svolgono un ruolo fondamentale nella conduttività e nel supporto strutturale.
- Batterie al litio-zolfo: Il carbonio poroso (come il grafene o il carbone attivo) funge da ospite per lo zolfo, fornendo percorsi conduttivi e assorbendo polisolfuri per mitigare l'effetto navetta.
- Batterie al litio-aria: Il carbonio poroso fornisce un'interfaccia trifase e un supporto catalizzatore per le reazioni di riduzione ed evoluzione dell'ossigeno.
- Rivestimento in carbonio dei catodiAd esempio, il rivestimento di carbonio sul fosfato di ferro e litio (LiFePO₄) migliora la conduttività e ottimizza le prestazioni di carica e scarica.
Vantaggio della macinazione ultrafine:
Le apparecchiature per la lavorazione di polveri ultrafini consentono di produrre materiali di carbonio su scala nanometrica. Ciò aumenta la superficie specifica e la struttura dei pori, migliorando l'uniformità e le prestazioni dei compositi nel rivestimento catodico. La macinazione ultrafine permette inoltre un controllo preciso della distribuzione granulometrica, migliorando la conduttività e la stabilità ciclica.
Altre applicazioni ausiliarie
- Rivestimenti dei collettori di corrente: Rivestire un foglio di rame o di alluminio con polvere di carbonio ultrafine migliora l'adesione tra i materiali attivi e i collettori di corrente. Riduce inoltre la resistenza di contatto e previene la corrosione.
- Effetto di capacità elettrica a doppio strato: I materiali al carbonio con elevata superficie specifica, come il carbone attivo, possono formare un doppio strato elettrico all'interfaccia elettrodo/elettrolita. Ciò contribuisce ad aumentare la capacità.
Ottimizzazione tramite lavorazione delle polveri:
La macinazione ultrafine può ridurre il carbone attivo a dimensioni submicroniche o nanometriche. Ciò aumenta la superficie e la porosità, potenziando l'effetto a doppio strato e migliorando la capacità di accumulo di energia.
Conclusione
I materiali al carbonio trovano ampie applicazioni nelle batterie al litio. Sono utilizzati nei materiali anodici, negli additivi conduttivi, negli scheletri compositi dei catodi e nei rivestimenti dei collettori di corrente. Coprono quasi tutti gli aspetti fondamentali delle batterie.
Utilizzando apparecchiature per la macinazione di polveri ultrafini, è possibile migliorare la distribuzione granulometrica, l'area superficiale specifica e l'attività superficiale dei materiali al carbonio. Ciò consente inoltre la modifica della superficie, l'ottimizzazione della dispersione e la lavorazione dei compositi. Questi miglioramenti aumentano significativamente la densità energetica della batteria, le prestazioni di velocità e la durata del ciclo.
Inoltre, i materiali in carbonio trovano ampie applicazioni nell'industria e nella tecnologia. Ad esempio, il diamante viene utilizzato nel taglio e nella gioielleria grazie alla sua elevata durezza. Le fibre di carbonio vengono utilizzate nel settore aerospaziale, automobilistico e delle attrezzature sportive per applicazioni leggere e ad alta resistenza. In combinazione con la macinazione ultrafine dei materiali in carbonio, è possibile massimizzare il potenziale prestazionale dei materiali in carbonio. Ciò fornisce un forte supporto allo sviluppo di materiali per batterie e materiali funzionali.
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— Pubblicato da Emily Chen