대부분의 사람들은 분쇄 결과를 D50 값으로 판단합니다. 하지만 다공성 활성탄의 경우, 이 수치는 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 다공성 활성탄의 가치는 입자의 미세도보다는 입자 내부의 기공 네트워크에서 비롯됩니다. 너무 강하게 분쇄하면 이러한 기공이 붕괴되어 비표면적이 감소합니다. 따라서 분쇄기를 선택하기 전에 분쇄 과정에서 얼마나 많은 표면적이 유지되는지 고려하는 것이 중요합니다.
다공성 탄소가 단순한 분말이 아닌 이유
실리콘 탄소 양극 소재로 사용되는 다공성 탄소는 일반적으로 구르비치 총 기공 부피가 0.1~0.3 cm³/g이고 BET 표면적이 50~200 m²/g입니다. 상용 수지 기반 등급은 이보다 훨씬 높은 기공 부피(1.5 cm³/g 이상)와 표면적(2600 m²/g 이상)을 갖습니다. 슈퍼커패시터, 가스 전극 또는 배터리 양극에서 모든 표면적은 중요한 기능적 자산입니다.
기계적 손상이 주요 위협 요인입니다. 경질 탄소 양극에 대한 연구 결과에 따르면 볼 밀링은 규칙적인 흑연 구조를 파괴하고, 결정성을 저하시키며, 닫힌 기공을 열고, 결함 농도를 증가시킵니다. 그 결과 첫 번째 사이클 효율이 떨어지고, 밀링 시간이 길어질수록 손실이 커집니다. 한 예로, 5시간 동안 밀링한 경질 탄소 시료는 100회 사이클 후 초기 수명의 10분의 1에도 미치지 못하는 것으로 나타났습니다. 이러한 경향은 일관적입니다. 밀링 에너지가 클수록 재료의 가치는 떨어집니다.
그렇기 때문에 주목해야 할 지표는 D50이 아니라 비표면적 유지율입니다. 일반적인 산업 범위에서 다공성 탄소 클러스터의 완만한 탈응집은 일반적으로 특정 표면적을 유지합니다. 90~95퍼센트 원래의 비표면적의 일부를 유지하면서도, 미세 분쇄를 통해 한 자릿수 마이크론 범위까지 낮추면 일반적으로 비표면적은 유지됩니다. 70~85퍼센트, 원료, 목표 크기 및 분쇄기 에너지에 따라 달라집니다. 이러한 범위는 이 글 전체에서 사용되는 표준으로 설정됩니다.
각 제분소 내부에서는 무슨 일이 일어날까요?
여기 있는 세 기계 모두 입자 크기를 줄여주지만, 가하는 힘이 다르기 때문에 모공이 손상되지 않고 남을지 여부가 그 차이에 달려 있습니다.
볼밀 또는 기계식 충격 밀은 분쇄 매체를 이용하여 분말을 분쇄하고 전단합니다. 입자와 매체 사이의 고속 충돌은 국부적인 냉간 용접을 유발하고 마모 파편을 제품 내부로 끌어들입니다. 특히 강철 매체는 철 오염을 유발합니다. 시험 결과, 강철 볼에서 발생하는 철은 세라믹 매체에 비해 표면적 정규화 정전 용량을 크게 감소시키는 것으로 나타났습니다.
제트 밀은 정반대의 방식으로 작동합니다. 분쇄 매체를 전혀 사용하지 않고, 압축 가스가 입자를 가속시켜 서로 충돌시켜 파쇄합니다. 팽창하는 가스가 챔버를 냉각시키므로 온도를 45°C 이하로 유지할 수 있습니다. 세라믹 알루미나 또는 지르코니아 라이너는 철 오염을 10ppm 이하로 유지하여 제트 밀을 최종 분쇄에 가장 깨끗한 방식으로 사용할 수 있도록 합니다.
그 중간에 핀 밀이 있습니다. 고속 핀은 짧은 충격과 전단력을 발생시켜 집중된 에너지와 매우 짧은 접촉 시간을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 핀 밀은 1차 입자나 기공을 파괴하지 않고 부드러운 응집체를 분쇄할 수 있습니다.
실제로 핀 밀과 제트 밀은 같은 작업을 수행하는 두 가지 방법이 아니라 완전히 다른 두 가지 작업입니다. 핀 밀은 응집물을 분리하는 반면, 제트 밀은 분쇄합니다. 어떤 작업을 수행할 것인지 아는 것이 기계를 선택하는 첫 번째 단계입니다.
1: 부드러운 응집 해제를 위한 핀밀
다공성 탄소는 합성 과정에서 블록이나 강한 응집체 형태로 생성됩니다. 넓은 표면적으로 인한 높은 표면 에너지는 입자들 사이에 강한 반 데르 발스 힘과 정전기적 인력을 발생시켜 쉽게 뭉치게 합니다. 이러한 응집체를 바로 미세 분쇄 단계로 넘기면 국부적인 과분쇄가 발생하고 기공 구조가 부분적으로 붕괴될 수 있습니다.
여기가 바로 그곳입니다 핀밀 이 공기 흐름은 짧은 충격파를 통해 뭉쳐진 입자들 사이의 약한 결합을 끊어주면서도 1차 입자에는 손상을 주지 않습니다. 또한, 공기 흐름은 흩어진 분말을 균일한 기체-고체 흐름으로 만들어 분리된 후 다시 뭉쳐지는 것을 방지합니다.
핀 밀은 전처리 단계이며, 핵심은 분쇄가 아니라 파쇄입니다. 일반적인 탈응집 실험에서 핀 밀은 다공성 탄소의 D50 값을 약 25μm에서 약 10μm까지 줄이면서 입자 크기를 유지합니다. 약 90~95% 원료 및 작동 매개변수에 따라 특정 표면적이 달라집니다. 핀 밀과 제트 밀이 이 작업에서 어떻게 다른지 자세히 알아보려면 탄소 및 배터리 소재의 핀 밀 탈응집에 관한 이전 기사를 참조하십시오.
2: 절삭점 제어 기능이 있는 공기 분류 분쇄기
안 공기 분류기 밀 이 제품은 설계상 이러한 문제를 해결합니다. 분쇄와 분류가 동일한 챔버 내에서 이루어집니다. 회전하는 분류 휠은 규격에 맞는 미세 분말을 즉시 배출하고, 굵은 입자는 내부에서 재순환됩니다. 이미 규격에 맞는 입자는 다시 분쇄되지 않고 즉시 배출됩니다. 이러한 메커니즘은 에너지 소비도 절감합니다. 분쇄기는 규격에 맞는 재료를 반복적으로 처리하는 대신, 추가 분쇄가 필요한 부분만 분쇄합니다.
다공성 탄소의 경우, 규격에서는 일반적으로 스팬이 1.2 미만이고 D90이 엄격하게 제어되어야 한다고 요구합니다. 이는 넓거나 거친 테일이 전극 코팅에 결함을 유발하기 때문입니다. 여기서 중요한 지표는 D50이 아니라 스팬입니다. 분류기 밀은 분포를 정밀하게 제어해야 할 때 선택하는 장비이며, 내장된 절단점이 바로 이러한 제어를 가능하게 합니다.
3: 기공 무결성을 유지하는 정밀 연삭용 제트 밀
A 제트밀 0.5~3 μm의 D50 값을 달성하며, 스팬은 1.5 미만이고 D100은 제어됩니다. 다공성 탄소의 경우, 유동층 제트 밀링은 일반적으로 0.5~3 μm의 D50 값을 제공합니다. 1~5 μm D100 이하 범위 10 μm, 또한 발표된 비교 보고서에 따르면 제트 밀링 처리된 경질 탄소 섬유는 특성을 유지할 수 있습니다. 볼밀 가공 재료보다 용량 유지율이 더 높습니다., 정확한 차이는 원료와 셀 설계에 따라 달라집니다. 산업 현장 시험에서, 약 40~50μm의 D50으로 공급된 다공성 탄소는 D50이 10μm 이하로 분쇄되었습니다. 5~8 μm 2차 공기 사이클론 집진 방식을 사용할 경우, 스팬이 1.2 미만이고 시스템 수율이 98% 이상인 범위에서 안정적인 결과를 보였습니다. 실험실 규모의 제트 밀링 실험에서도 안정적인 D50 값이 확인되었습니다. 2~3 μm 기공 구조와 표면적을 대부분 그대로 유지하면서 범위를 넓힙니다.
세라믹 라이너와 제어된 압축 공기 온도를 사용하는 제트 밀을 가동하면 다공성 탄소를 한 자릿수 마이크론 범위로 파쇄하는 가장 안전한 방법이 됩니다. 이는 저렴한 옵션은 아니지만, 기공의 무결성과 입자 정밀도를 동시에 유지해야 할 때 선택하는 옵션입니다.
다단계 현실: 기계 한 대로는 충분하지 않은 경우가 많은 이유
다공성 탄소 원료는 대부분의 엔지니어가 예상하는 것보다 훨씬 다양합니다. 바이오매스 기반, 수지 기반 및 석유 코크스 기반 탄소는 입자 강도, 응집성 및 기공 벽 두께가 다르기 때문에 단일 장비로 모든 종류의 탄소를 효율적으로 처리할 수 없습니다.
바이오매스 기반 다공성 탄소는 탄화 후 내부 기포가 탄화된 미세 기공으로 분해되면서 분쇄성이 향상되지만, 기공 벽의 강도는 원료에 따라 크게 달라집니다. 수지 기반 탄소는 기계적 내성이 더 뛰어나고 바이오매스 기반 소재보다 분쇄력에 더 잘 견딥니다.
실제 적용에서 차이가 드러납니다. 세 가지 서로 다른 다공성 탄소 원료에 단일 장비를 사용할 경우, 매번 목표 입자 크기를 달성하는 것은 예외적인 경우이지 일반적인 경우는 아닙니다. 일반적으로 전처리용 핀 밀과 미세 분쇄용 제트 밀로 구성된 2단계 설비가 세 가지 재료 모두를 규격에 맞추는 데 효과적입니다.
두 단계로 이루어진 이 공정의 핵심은 실질적인 이점입니다. 앞쪽의 핀 밀은 응집체를 분쇄하고, 중간의 분류 밀은 입자 분포를 제어하며, 마지막의 제트 밀은 정밀도와 기공을 유지합니다. 대부분의 다공성 탄소 프로젝트에는 이 세 가지 공정 중 최소 두 가지가 필요하며, 원료에 따라 어떤 두 가지 공정을 사용할지 결정됩니다.
적합한 다공성 탄소 분쇄기를 선택하기 위한 다섯 가지 질문
기계를 비교하기 전에 다음 다섯 가지 질문에 답해 보세요. 이 질문에 대한 답은 여러분에게 필요한 장비를 정확히 알려줍니다.
1. 원료의 기본 구성은 무엇입니까?
바이오매스, 수지 및 석유 코크스 탄소는 응집성과 기공벽 강도가 다르며, 이로 인해 사전에 핀 밀이 필요한지 여부가 결정됩니다.
2. 필요한 기간은 얼마입니까?
좁은 간격은 일반적으로 단순 충격식 압연기가 아닌 분류식 압연기 또는 분류 기능이 내장된 제트 압연기를 의미합니다.
3. 귀사의 자기 불순물 허용 한도는 얼마입니까?
50ppm 미만 또는 10ppm 미만인지에 따라 세라믹 라이너와 미디어 프리 밀이 우선 순위인지 필수 조건인지가 결정됩니다.
4. 최소 표면적 또는 기공 부피 유지율은 얼마입니까?
이는 다공성 탄소의 합격 여부를 결정하는 유일한 테스트이며, 이 테스트를 통과하지 못하는 기계는 모두 제외해야 합니다.
5. 필요한 처리량은 얼마입니까?
실험실에서 시간당 500g을 생산하는 시험, 시범 생산 라인에서 시간당 10~15kg을 생산하는 방식, 그리고 본격적인 생산에 이르기까지 각 단계는 서로 다른 크기의 기계를 필요로 한다는 것을 보여줍니다.
어떤 장비가 다공성 활성탄에 적합한지 확신이 서지 않는다면, 샘플과 목표 사양을 보내주십시오. 저희가 시험을 진행하여 입자 크기 분포와 표면적 유지율 데이터를 제공해 드리므로, 다공성 활성탄에 실제로 중요한 지표를 기준으로 장비를 선택하실 수 있습니다.
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— 제이슨 왕, 엔지니어