O desempenho prático de materiais de ânodo de carbono duro em baterias de íon-sódio depende muito de sua microestrutura, e tamanho da partícula A distribuição do tamanho do filamento (PSD) e a morfologia são fatores-chave que determinam os caminhos de difusão iônica, a densidade de empacotamento do eletrodo, a eficiência coulombiana do primeiro ciclo e a estabilidade do ciclo. Moinho de jato de ar, por ser o mais comumente usado moagem ultrafina O método de preparação de carbono duro possui parâmetros de processo que influenciam diretamente o resultado final. tamanho da partícula, largura de distribuição e características morfológicas, afetando profundamente o desempenho eletroquímico. Este artigo analisará sistematicamente os principais parâmetros do processo de fresagem a jato de ar e seus efeitos específicos no tamanho e na morfologia das partículas de carbono duro.
Princípio do moinho de jato de ar e principais parâmetros do processo
moinho de jato de ar (também conhecido como moinho de jatos opostos de leito fluidizado ou moinho de jato plano) acelera partículas a velocidades supersônicas usando gases de alta pressão (geralmente nitrogênio ou ar comprimido) e as esmaga por meio de colisões no centro da câmara de moagem. Os principais parâmetros de processo ajustáveis incluem:
- Pressão de moagem (0,6–1,2 MPa)
- Velocidade da roda classificadora (1000–5000 rpm)
- Taxa de alimentação (kg/h)
- Proporção entre a taxa de fluxo de ar auxiliar e o fluxo de ar principal
Esses parâmetros, em conjunto, determinam a energia de colisão, o tempo de residência e a precisão da classificação das partículas.
Influência da Distribuição do Tamanho de Partículas (PSD) em Materiais de Ânodo de Carbono Duro
| Parâmetro do processo | Efeito no tamanho das partículas (aumento) | Faixa de alteração típica D50 | Efeito na largura da distribuição (amplitude) |
| Pressão de moagem | D50 diminui significativamente | 12 μm → 4 μm | Primeiro estreita, depois alarga ligeiramente. |
| Velocidade da roda classificadora | D50 diminui linearmente | 10 μm → 3 μm | Reduz significativamente (Meio mais eficaz) |
| Taxa de alimentação | O D50 aumenta, assim como o tamanho das partículas. | 5μm→15μm | A distribuição se amplia significativamente. |
| Fluxo de ar auxiliar | A proporção de partículas finas aumenta, enquanto a alteração em D50 é insignificante. | – | Reduz a cauda fina, a extensão diminui ligeiramente. |
Os dados medidos mostram:
- Quando a pressão de moagem aumenta de 0,7 MPa para 1,0 MPa, o D50 do carbono duro diminui de 10,2 μm para 5,1 μm.
- A uma pressão de 1,0 MPa, quando a velocidade da roda classificadora aumenta de 1800 rpm para 3600 rpm, o D50 diminui ainda mais, de 5,1 μm para 2,8 μm, enquanto o valor Span ((D90-D10)/D50) diminui de 1,45 para 0,92, mostrando uma distribuição mais estreita.
Uma distribuição de tamanho de partículas estreita e concentrada melhora significativamente o eletrodo. revestimento uniformidade, reduz os fenômenos locais de sobrecarga/sobredescarga e aumenta a eficiência do primeiro ciclo (a eficiência do primeiro ciclo do carbono duro pode aumentar em 3–8%).
Influência das características morfológicas das partículas de materiais de ânodo de carbono duro
A moagem por jato de ar é um processo típico de "automoagem". Comparada à moagem por força externa, como a moagem por bolas, apresenta as seguintes características em termos de morfologia:
- Esfericidade aumentadaMúltiplas colisões em alta velocidade arredondam continuamente os cantos afiados das partículas, melhorando sua circularidade de 0,65–0,75 para 0,88–0,94, tornando-as mais esféricas.
- Melhoria na suavidade da superfícieO atrito por colisão remove rebarbas e microfissuras superficiais, reduzindo a área de crescimento da película SEI (interface de eletrólito sólido), o que ajuda a minimizar a perda irreversível de capacidade.
- Prevenção de moagem excessiva e agregaçãoEm comparação com a moagem mecânica, a moagem por jato de ar opera em temperaturas mais baixas (<80℃), resultando em menor atividade superficial das partículas e menor tendência à agregação secundária, o que leva a uma melhor dispersão.
- Fenômeno especial: formação de estruturas laminares sob pressão excessiva.Quando a pressão de moagem excede 1,2 MPa e o próprio carbono duro apresenta um alto grau de grafitização, algumas partículas podem sofrer delaminação ao longo das camadas, formando uma morfologia laminar. Isso aumenta a área superficial específica (>50 m²/g), o que pode diminuir a eficiência do primeiro ciclo. Esse fenômeno pode ser evitado controlando-se rigorosamente a pressão para ≤1,0 MPa.
Impacto prático do tamanho e da morfologia das partículas no desempenho eletroquímico (dados típicos)
| D50 (μm) | Span | Área de superfície específica (m²/g) | Densidade aparente (g/cm³) | Primeira capacidade reversível (mAh/g) | Eficiência do primeiro 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: Uma granulometria excessivamente fina leva a uma área de superfície específica muito grande, o que, por sua vez, diminui a eficiência do primeiro ciclo.
A faixa de desempenho ideal geralmente se encontra na faixa de D50 4–8 μm e Span <1,2.
Recomendações para Otimização de Processos Industriais
Combinação de parâmetros recomendada (para carbono duro à base de biomassa/resina fenólica):
- Pressão de moagem: 0,85-0,95 MPa
- Velocidade da roda classificadora: 2800-3400 rpm
- Taxa de alimentação: Não exceder 70% da capacidade nominal do equipamento.
- Processo de fresagem por jato de ar em dois estágios: Utilize um primeiro estágio para moagem grossa (baixa velocidade) + um segundo estágio para moagem fina (alta velocidade) para equilibrar a produção e a uniformidade do tamanho das partículas.
- Implementar monitoramento online em tempo real do tamanho das partículas (difração a laser) com controle automático de feedback da velocidade da roda classificadora para obter controle de distribuição em circuito fechado.
Conclusão
O processo de moagem por jato de ar, através do controle preciso da pressão de moagem, da velocidade da roda classificadora e da taxa de alimentação, permite regular a distribuição do tamanho das partículas e a morfologia dos materiais de ânodo de carbono duro em uma ampla faixa. Dentre esses fatores, a velocidade da roda classificadora é o meio mais eficaz para controlar a largura da distribuição, enquanto uma pressão de moagem ideal (0,6–1,0 MPa) permite alcançar um D50 pequeno, alta esfericidade das partículas e área superficial específica adequada. A otimização adequada desses parâmetros pode resultar em uma microestrutura ideal com “distribuição estreita, alta esfericidade e área superficial específica moderada”, levando a uma maior capacidade reversível, eficiência no primeiro ciclo e estabilidade de ciclo em baterias de íon-sódio. Essa controlabilidade do processo é uma das principais garantias tecnológicas para a industrialização em larga escala de ânodos de carbono duro.
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— Publicado por Emily Chen