Prestasi praktikal bahan anod karbon keras dalam bateri natrium-ion sangat bergantung pada struktur mikronya, dan saiz Zarah pengedaran (PSD) dan morfologi ialah faktor utama yang menentukan laluan resapan ion, ketumpatan pembungkusan elektrod, kecekapan Coulombik kitaran pertama dan kestabilan kitaran. Kilang jet udara, sebagai yang paling biasa digunakan pengisaran ultrahalus kaedah dalam penyediaan karbon keras, mempunyai parameter prosesnya secara langsung mempengaruhi akhir saiz Zarah, lebar taburan, dan ciri morfologi, dengan itu menjejaskan prestasi elektrokimia secara mendalam. Artikel ini akan menganalisis secara sistematik parameter proses utama bagi pengilangan jet udara dan kesan khusus mereka terhadap saiz zarah dan morfologi karbon keras.
Prinsip Kilang Jet Udara dan Parameter Proses Utama
Kilang jet udara (juga dikenali sebagai katil terbendalir menentang kilang jet atau kilang jet rata) mempercepatkan zarah kepada kelajuan supersonik menggunakan gas tekanan tinggi (biasanya nitrogen atau udara termampat) dan menghancurkannya melalui perlanggaran di tengah ruang pengisaran. Parameter proses boleh laras utama termasuk:
- Tekanan pengilangan (0.6–1.2 MPa)
- Kelajuan roda pengelas (1000–5000 rpm)
- Kadar suapan (kg/j)
- Kadar aliran udara tambahan kepada nisbah aliran udara utama
Parameter ini secara kolektif menentukan tenaga perlanggaran, masa tinggal, dan ketepatan pengelasan zarah.
Pengaruh terhadap Taburan Saiz Zarah (PSD) Bahan Anod Karbon Keras
| Parameter Proses | Kesan pada Saiz Zarah (Peningkatan) | Julat Perubahan D50 Biasa | Kesan pada Lebar Pengedaran (Span) |
| Tekanan Pengisaran | D50 berkurangan dengan ketara | 12μm→4μm | Sempit dahulu, kemudian melebar sedikit |
| Kelajuan Roda Pengelas | D50 menurun secara linear | 10μm→3μm | Mengecil dengan ketara (Cara yang paling berkesan) |
| Kadar Pemakanan | D50 meningkat, zarah yang lebih besar meningkat | 5μm→15μm | Pengedaran meluas dengan ketara |
| Aliran Udara Bantu | Nisbah zarah halus meningkat, perubahan D50 tidak ketara | – | Mengurangkan ekor halus, Span sedikit berkurangan |
Data yang diukur menunjukkan:
- Apabila tekanan pengilangan meningkat daripada 0.7 MPa kepada 1.0 MPa, D50 karbon keras berkurangan daripada 10.2 μm kepada 5.1 μm.
- Pada tekanan 1.0 MPa, apabila kelajuan roda pengelas meningkat daripada 1800 rpm kepada 3600 rpm, D50 menurun lagi daripada 5.1 μm kepada 2.8 μm, manakala nilai Span ((D90-D10)/D50) berkurangan daripada 1.45 kepada 0.92, menunjukkan pengedaran yang lebih sempit.
Taburan saiz zarah yang sempit dan pekat meningkatkan elektrod dengan ketara salutan keseragaman, mengurangkan fenomena pengecasan berlebihan/terlebihan tempatan dan meningkatkan kecekapan kitaran pertama (kecekapan kitaran pertama karbon keras boleh meningkat sebanyak 3–8%).
Pengaruh terhadap Ciri Morfologi Zarah Bahan Anod Karbon Keras
Kilang jet udara ialah proses "penggilingan sendiri" biasa. Berbanding dengan penggilingan daya luaran seperti penggilingan bola, ia mempunyai ciri-ciri berikut dari segi morfologi:
- Peningkatan Sphericity: Berbilang perlanggaran berkelajuan tinggi secara berterusan membulatkan sudut tajam zarah, meningkatkan pekelilingnya daripada 0.65–0.75 kepada 0.88–0.94, menjadikannya lebih sfera.
- Kelicinan Permukaan yang Diperbaiki: Geseran perlanggaran menghilangkan burr permukaan dan retakan mikro, mengurangkan kawasan pertumbuhan filem SEI (interphase elektrolit pepejal), yang membantu meminimumkan kehilangan kapasiti yang tidak dapat dipulihkan.
- Pencegahan Pengisaran dan Pengagregatan: Berbanding dengan pengilangan mekanikal, pengilangan jet udara beroperasi pada suhu yang lebih rendah (<80℃), menghasilkan aktiviti permukaan zarah yang lebih rendah dan kecenderungan yang lebih kecil untuk pengagregatan sekunder, yang membawa kepada penyebaran yang lebih baik.
- Fenomena Istimewa: Pembentukan seperti helaian pada Tekanan Berlebihan: Apabila tekanan pengilangan melebihi 1.2 MPa dan karbon keras itu sendiri mempunyai tahap grafitasi yang tinggi, sesetengah zarah mungkin menunjukkan penembusan sepanjang lapisan, membentuk morfologi seperti kepingan. Ini meningkatkan luas permukaan tertentu (>50 m²/g), yang mungkin mengurangkan kecekapan kitaran pertama. Fenomena ini boleh dielakkan dengan mengawal ketat tekanan kepada ≤1.0 MPa.
Kesan Praktikal Saiz Zarah dan Morfologi terhadap Prestasi Elektrokimia (Data Biasa)
| D50 (μm) | Span | Kawasan Permukaan Tertentu (m²/g) | Ketumpatan Ketik (g/cm³) | Kapasiti Boleh Balik Pertama (mAh/g) | Kecekapan Kitaran Pertama (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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: Kehalusan yang berlebihan membawa kepada kawasan permukaan khusus yang terlalu besar, yang seterusnya mengurangkan kecekapan kitaran pertama.
Tetingkap prestasi optimum biasanya ditemui dalam julat D50 4–8 μm dan Span <1.2.
Syor Pengoptimuman Proses Industri
Gabungan parameter yang disyorkan (untuk karbon keras berasaskan resin biojisim/fenolik):
- Tekanan pengisaran: 0.85-0.95 MPa
- Kelajuan Roda Pengelas: 2800-3400 rpm
- Kadar Pemakanan: Tidak melebihi 70% daripada kapasiti terkadar peralatan
- Proses pengilangan jet udara dua peringkat: Gunakan peringkat pertama untuk pengisaran kasar (kelajuan rendah) + peringkat kedua untuk pengisaran halus (kelajuan tinggi) untuk mengimbangi output dan keseragaman saiz zarah.
- Laksanakan pemantauan saiz zarah dalam talian masa nyata (pembelauan laser) dengan kawalan maklum balas automatik kelajuan roda pengelas untuk mencapai kawalan pengedaran gelung tertutup.
Kesimpulan
Proses kilang jet udara, melalui kawalan tepat tekanan pengilangan, kelajuan roda pengelas, dan kadar suapan, boleh mengawal selia pengedaran saiz zarah dan morfologi bahan anod karbon keras dalam julat yang luas. Antaranya, kelajuan roda pengelas ialah cara yang paling berkesan untuk mengawal lebar pengedaran, manakala tekanan pengilangan optimum (0.6–1.0 MPa) boleh mencapai D50 yang kecil, sfera zarah yang tinggi, dan luas permukaan khusus yang sesuai. Pengoptimuman munasabah bagi parameter ini boleh menghasilkan struktur mikro yang ideal dengan "taburan sempit, sfera tinggi dan luas permukaan khusus sederhana," yang membawa kepada kapasiti boleh balik yang lebih tinggi, kecekapan kitaran pertama dan kestabilan kitaran dalam bateri natrium-ion. Kebolehkawalan proses ini adalah salah satu jaminan teknologi teras untuk perindustrian berskala besar anod karbon keras.
"Terima kasih kerana membaca. Saya harap artikel saya membantu. Sila tinggalkan komen di bawah. Anda juga boleh menghubungi wakil pelanggan dalam talian Zelda untuk sebarang pertanyaan lanjut."
- Dihantar oleh Emily Chen