Coca-Cola de agulha É um material de carbono de alto desempenho com brilho metálico e cor cinza-prateada. Sua textura superficial é fibrosa ou semelhante a agulhas, com toque escorregadio. Contém pequenos poros ovais em seu interior. Coca-Cola de agulha Consiste em hidrocarbonetos aromáticos policíclicos de grande massa molecular com camadas aromáticas planas. Possui uma estrutura microcristalina semelhante à grafite com alta orientação unitária. A estrutura microscópica segue o modelo de Franklin e é um carbono grafitizável típico. É um material ideal para a preparação de carbono poroso. Quando aquecido acima de 2000 °C, forma estruturas em camadas semelhantes à grafite.
Devido à sua excelente condutividade elétrica, condutividade térmica, baixa expansão térmica e resistência ao choque térmico, o coque agulhado é amplamente utilizado na siderurgia, na indústria aeroespacial e em outros setores. Nos últimos anos, tornou-se um tópico de pesquisa em alta na área da ciência dos materiais em todo o mundo.
O coque agulha pode ser classificado em tipos à base de carvão e à base de petróleo, dependendo da fonte da matéria-prima. O coque agulha à base de carvão é produzido pela carbonização em alta temperatura de alcatrão de hulha, piche de alcatrão de hulha ou óleo de destilação instantânea.
O coque agulha à base de petróleo é produzido pela carbonização em alta temperatura de alcatrão de etileno, óleo residual de craqueamento térmico e a vácuo, ou pasta de óleo de craqueamento catalítico. Devido ao seu baixo teor de enxofre, cinzas, baixo teor de metais e fácil grafitização, é atualmente a principal matéria-prima para grafite artificial. No entanto, seu custo de produção é alto e os requisitos de matéria-prima são rigorosos.
Preparação de Needle Coke
O coque agulha é produzido por meio da carbonização em fase líquida, pirólise e polimerização gradual das matérias-primas para formar esferas de mesofase, que então crescem, se fundem, se orientam e finalmente carbonizam em uma estrutura fibrosa semelhante a uma agulha. O processo de produção inclui pré-tratamento da matéria-prima, coqueamento retardado e calcinação.
A coqueificação retardada, a principal etapa da coqueificação, envolve destilação e carbonização, produzindo piche e coque refinados. A calcinação remove substâncias voláteis e umidade para melhorar a densidade real.
O coque agulha à base de carvão exige um pré-tratamento mais rigoroso do que o coque agulha à base de petróleo, mas ambos os tipos são semelhantes em estrutura e aplicações. O coque agulha à base de petróleo, por outro lado, apresenta custos de produção mais baixos e maior capacidade de mercado.
A grafitização do coque de agulha envolve processos como esmagamento, moagem, modificação de superfície, tratamento térmico e modificação de superfície, semelhante à grafitização do carvão. O coque de agulha, um carbono macio com alta condutividade elétrica e baixo teor de impurezas, é comumente usado em baterias de íons de lítio. No entanto, sua capacidade teórica é baixa e seu uso em baterias requer grafitização em alta temperatura para se tornar grafite artificial.
A pesquisa sobre materiais de ânodo à base de coque de agulha para baterias de íons de lítio se concentra em técnicas de modificação e composição para melhorar a capacidade e reduzir custos, atendendo à crescente demanda por baterias de alta densidade energética, de carregamento rápido e seguras.
Aplicação de Coque Agulha em Diferentes Campos
O coque de agulha tem três aplicações principais: eletrodos de alta potência, materiais especiais de carbono e ânodos de baterias de íons de lítio. Eletrodos de grafite de alta potência feitos de coque de agulha são usados em fornos elétricos a arco para a produção de aço. A produção de aço em fornos elétricos a arco apresenta vantagens como baixa poluição e baixo consumo de energia. Eletrodos de grafite de alta potência feitos de coque de agulha apresentam baixa expansão térmica, alta condutividade elétrica e alta resistência mecânica.
Esses eletrodos aquecem e fundem metais com eficiência em fornos elétricos a arco. Como material anódico, o coque agulha, como o carbono macio, é fácil de grafitar e de baixo custo. Após tratamento térmico em alta temperatura, forma grafite artificial com boa estabilidade cíclica e alta capacidade específica.
Aplicação de Coque Acicular em Eletrodos de Grafite
Eletrodos de grafite são usados principalmente em fornos elétricos a arco, fornos a arco submerso e fornos de resistência. A produção de aço em fornos elétricos a arco é mais ecologicamente correta do que a produção de aço em altos-fornos, o que levou a políticas favoráveis em muitos países. A crescente escala da produção de aço em fornos elétricos a arco tem impulsionado a demanda por eletrodos de grafite. Atualmente, a produção de aço em fornos elétricos a arco está migrando para fornos maiores e de ultra-alta potência. Como resultado, os requisitos para eletrodos de grafite estão se tornando mais rigorosos. Como a corrente máxima permitida para eletrodos de grafite em fornos elétricos a arco é positivamente correlacionada com seu diâmetro, o desenvolvimento de eletrodos de grafite de grande diâmetro é essencial. A produção de eletrodos de grafite de grande diâmetro requer coque agulhado de alta qualidade.
Aplicação de coque acicular em eletrodo negativo de bateria de íons de metal alcalino
Atualmente, as baterias de íons de metal alcalino incluem principalmente baterias de íons de lítio, íons de sódio e íons de potássio. As baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas no dia a dia. As baterias de íons de sódio e íons de potássio têm atraído atenção especial como sistemas alternativos de armazenamento de energia.
As baterias de íons metálicos alcalinos consistem principalmente de cátodo, ânodo, eletrólito, separador e invólucro. O material do ânodo, como componente-chave, afeta significativamente o desempenho geral da bateria. Para baterias de íons de lítio, os materiais de ânodo comerciais incluem grafite artificial e grafite natural, com grafite artificial representando 80%. A grafite artificial pode ser dividida em coque à base de petróleo e coque à base de carvão. O coque à base de petróleo pode ser ainda dividido em coque de petróleo e coque de agulha. Os materiais de ânodo feitos de coque de agulha têm boas propriedades. químico estabilidade, alta capacidade e excelente condutividade. São utilizados para produzir materiais de eletrodos de alta densidade de prensagem e alta densidade de energia.
Aplicação de Coque de Agulha em Supercapacitores
Nos últimos anos, os supercapacitores, como dispositivos de armazenamento de energia que combinam as características de capacitores e baterias, têm ganhado destaque. Eles oferecem maior densidade de energia do que os capacitores tradicionais e maior densidade de potência do que as baterias secundárias, com um ciclo de vida mais de uma ordem de magnitude maior do que o das baterias secundárias. Os supercapacitores podem ser usados para recuperação e liberação de energia durante a partida, aceleração e frenagem de diversos veículos. Na maioria dos casos, os supercapacitores são combinados com baterias secundárias ou células de combustível com alta densidade de energia para formar sistemas de energia híbridos. Essa combinação atende aos requisitos de veículos de nova energia para altas taxas de recarga, alta capacidade específica e alta eficiência de recuperação de energia.
Coque de agulha para preparação de grafeno
O grafeno possui excelentes propriedades ópticas, elétricas e mecânicas, com amplas aplicações em ciência de materiais, energia e biomedicina. Os principais métodos de preparação do grafeno incluem esfoliação mecânica, crescimento epitaxial em carboneto de silício, esfoliação com solvente, esfoliação química (oxidação/redução) e deposição química de vapor (CVD). No entanto, a maioria desses métodos, como esfoliação mecânica e esfoliação com solvente, é normalmente utilizada em laboratórios. O método CVD, embora eficaz, apresenta um processo relativamente complexo e custos mais elevados.
Coque de agulha para indústria fotovoltaica
Células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) estão emergindo como um novo dispositivo fotovoltaico e se tornando um foco de pesquisa. Comparadas às células solares tradicionais, as DSSCs apresentam vantagens como maior vida útil (15 a 20 anos), fácil produção industrial em larga escala, ciclo curto de recuperação de energia, menor custo de produção (apenas 1/10 a 1/5 das células solares de silício) e processos de produção atóxicos e livres de poluição. Nos últimos anos, pesquisadores descobriram que o coque de agulha apresenta alta condutividade, resistência ao calor, resistência à corrosão e atividade eletrocatalítica para triiodeto. Além disso, seu baixo custo o torna um material de eletrodo promissor para células solares sensibilizadas por corante.
Conclusão
O coque de agulha, um material de carbono altamente ordenado, é vital para baterias de íons de lítio de alto desempenho devido à sua excelente condutividade e baixa impureza. A combinação da modificação da moagem otimiza a estrutura de suas partículas, aumentando a capacidade e reduzindo o processamento com alto consumo de energia, em conformidade com as demandas de baterias sustentáveis e de alta energia.
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