ナトリウムイオン電池におけるハードカーボンアノード材料の実用性能はその微細構造に大きく依存しており、 粒子サイズ 分布 (PSD) と形態は、イオン拡散経路、電極充填密度、第 1 サイクルのクーロン効率、およびサイクル安定性を決定する重要な要因です。. エアジェットミル, 最も一般的に使用される 超微粉砕 ハードカーボン製造におけるこの方法は、そのプロセスパラメータが最終製品に直接影響を与える。 粒子サイズ, 、分布幅、形態特性が電気化学的性能に大きな影響を与えます。本稿では、主要なプロセスパラメータを体系的に分析します。 エアジェットミリング およびそれらがハードカーボンの粒子サイズと形態に及ぼす特定の影響について説明します。.
エアジェットミルの原理と主要なプロセスパラメータ
エアジェットミル（別名 流動床対向ジェットミル または フラットジェットミル）は、高圧ガス（通常は窒素または圧縮空気）を用いて粒子を超音速まで加速し、粉砕室の中央で衝突させて粉砕します。調整可能な主なプロセスパラメータは以下のとおりです。
- 粉砕圧力（0.6～1.2 MPa）
- 分級ホイール速度（1000～5000 rpm）
- 供給速度（kg/h）
- 補助空気流量と主空気流量の比
これらのパラメータは、粒子の衝突エネルギー、滞留時間、および分類精度を総合的に決定します。.
ハードカーボンアノード材料の粒度分布（PSD）への影響
| プロセスパラメータ | 粒子サイズへの影響（増加） | 典型的なD50の変化範囲 | 分布幅（スパン）への影響 |
| 研削圧力 | D50が大幅に減少 | 12μm→4μm | 最初は狭くなり、その後わずかに広くなる |
| 分類ホイール速度 | D50は直線的に減少する | 10μm→3μm | 大幅に狭まる（最も効果的な手段） |
| 給餌速度 | D50が増加すると、粒子が大きくなる | 5μm→15μm | 流通が大幅に拡大 |
| 補助空気流 | 微粒子比率が増加し、D50の変化はわずか | – | 細尾部が減少、スパンがわずかに減少 |
測定データは次のことを示しています:
- 粉砕圧力が 0.7 MPa から 1.0 MPa に増加すると、ハードカーボンの D50 は 10.2 μm から 5.1 μm に減少します。.
- 1.0 MPaの圧力で分級ホイールの速度が1800 rpmから3600 rpmに増加すると、D50は5.1 μmから2.8 μmにさらに減少し、スパン値（（D90-D10）/ D50）は1.45から0.92に減少し、分布が狭くなります。.
狭く集中した粒子サイズ分布により、電極の性能が大幅に向上します。 コーティング 均一性が向上し、局所的な過充電/過放電現象が減少し、初回サイクル効率が向上します（ハードカーボンの初回サイクル効率は3～8%向上します）。.
ハードカーボン陽極材料の粒子形態特性への影響
エアジェットミルは典型的な「自己粉砕」プロセスです。ボールミルのような外力粉砕と比較して、形態学的には以下の特徴があります。
- 球形度の向上: 複数の高速衝突により、粒子の鋭い角が連続的に丸くなり、真円度が 0.65～0.75 から 0.88～0.94 に向上し、より球形に近づきます。.
- 表面の滑らかさの向上衝突摩擦により表面のバリや微小亀裂が除去され、SEI（固体電解質界面）フィルムの成長領域が縮小されるため、不可逆的な容量損失を最小限に抑えることができます。.
- 過剰粉砕と凝集の防止: 機械粉砕と比較して、エアジェット粉砕はより低い温度 (<80℃) で作動するため、粒子の表面活性が低くなり、二次凝集の傾向が小さくなり、分散性が向上します。.
- 特殊現象：過度の圧力によるシート状の形成粉砕圧力が1.2MPaを超え、ハードカーボン自体の黒鉛化度が高い場合、一部の粒子が層状に剥離し、シート状の形態を形成することがあります。これにより比表面積が増加し（>50 m²/g）、初回サイクル効率が低下する可能性があります。この現象は、圧力を1.0MPa以下に厳密に制御することで回避できます。.
粒子サイズと形態が電気化学的性能に及ぼす実際的な影響（代表的データ）
| D50（μm） | スパン | 比表面積（m²/g） | タップ密度（g/cm³） | 最初の可逆容量（mAh/g） | 初回サイクル効率（%） |
|---|---|---|---|---|---|
| 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* |
注意: 細かさが大きすぎると比表面積が大きくなりすぎて、第 1 サイクルの効率が低下します。.
最適なパフォーマンスウィンドウは通常、D50 4～8 μm、スパン <1.2 の範囲にあります。.
産業プロセス最適化の推奨事項
推奨パラメータの組み合わせ（バイオマス/フェノール樹脂系ハードカーボンの場合）：
- 研削圧力: 0.85～0.95 MPa
- 分類ホイール速度: 2800～3400 rpm
- 給餌速度: 機器の定格容量の70%を超えないこと
- 2段階エアジェットミリングプロセス： 粗粉砕 (低速) 用の第 1 段階と、微粉砕 (高速) 用の第 2 段階を使用して、出力と粒子サイズの均一性のバランスをとります。.
- 閉ループ分布制御を実現するために、分級ホイール速度の自動フィードバック制御を備えたリアルタイムのオンライン粒子サイズ監視 (レーザー回折) を実装します。.
結論
エアジェットミルプロセスは、粉砕圧力、分級ホイール速度、および供給速度を精密に制御することで、ハードカーボンアノード材料の粒度分布と形態を広範囲に制御できます。これらのうち、分級ホイール速度は分布幅を制御する最も効果的な手段であり、最適な粉砕圧力（0.6～1.0 MPa）は、小さなD50、高い粒子球形度、および適切な比表面積を実現します。これらのパラメータを適切に最適化することで、「狭い分布、高い球形度、適度な比表面積」を備えた理想的な微細構造が得られ、ナトリウムイオン電池の可逆容量、初回サイクル効率、およびサイクル安定性が向上します。このプロセスの制御性は、ハードカーボンアノードの大規模工業化における中核的な技術保証の一つです。.
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— 投稿者 エミリー・チェン