Графит — один из самых классических представителей семейства углеродистых материалов. Долгое время он доминировал в качестве материала для анодов литий-ионных батарей. Это объясняется его превосходной теплопроводностью и электропроводностью. Графит также обладает высокой термостойкостью и смазывающими свойствами. Он включен в список критически важных сырьевых материалов ЕС и США. Австралия и другие регионы также внесли аналогичные стратегические изменения. От природного чешуйчатого графита до высокочистого графита — область его применения продолжает расширяться. Сферический графит и специальные виды графита еще больше расширяют его промышленную ценность. Семейство графита демонстрирует высокую универсальность во многих отраслях промышленности. Типичные области применения включают металлургию, электронику, химическую промышленность и аэрокосмическую отрасль. Передовые технологии обработки, особенно графита, сверхтонкое измельчение, Это позволяет создавать высокопроизводительные приложения.
Однако с быстрым развитием электромобилей и систем хранения энергии теоретическая емкость обычных графитовых анодов (372 мАч/г) приближается к своему пределу, что затрудняет удовлетворение спроса на батареи с более высокой плотностью энергии. Поэтому кремний-углеродные анодные материалы стали ключевой прорывной технологией для преодоления этого узкого места.
От природного чешуйчатого графита и микрокристаллического графита до искусственного графита, графита высокой чистоты, специального графита, сферического графита аккумуляторного класса и графена — система графитовых материалов постоянно развивается в направлении повышения чистоты и контролируемости. размер частицы, более низкий уровень примесей и большая стабильность. Эта эволюция неразрывно связана с достижениями в области сверхтонкого измельчения графита., классификация, и модификация поверхности технологии.
Природный графит: фундаментальный источник углерода для Кремниево-углеродные аноды
Природный графит — это графит. минеральная Природный графит образуется в природе, и его кристаллизационные характеристики напрямую определяют способы его переработки и потенциал применения. В промышленности природный графит обычно классифицируют на кристаллический и микрокристаллический.
Кристаллический графит (чешуйчатый и плотный графит)
Чешуйчатый графит представляет собой пластинчатые или листовидные кристаллы, обычно размером более 1 мкм. Он обладает превосходной флотируемостью, смазывающими свойствами и пластичностью, что делает его предпочтительным сырьем для производства сферического графита и кремний-углеродных композитных анодов.
При изготовлении анодного материала чешуйчатый графит обычно подвергается механической обработке, сверхтонкому измельчению, классификации и очистке для достижения подходящего распределения частиц по размерам и удельной площади поверхности.
Плотный кристаллический (блочный) графит обычно содержит углерод 60%–65%, обладающий меньшей пластичностью и смазывающими свойствами. Его применение в анодах литиевых батарей ограничено, и он в основном используется в традиционных огнеупорных и металлургических областях.
Микрокристаллический графит
Микрокристаллический графит состоит из чрезвычайно мелких кристаллитов и имеет тусклый, землистый вид. Как правило, он обладает высокой природной чистотой, причем в некоторых месторождениях содержание углерода превышает 90%. Благодаря достижениям в области высокотемпературной очистки и струйное фрезерование В технологиях микрокристаллический графит все чаще используется в качестве проводящих добавок и углеродсодержащих материалов.покрытие системы для кремний-углеродных анодов.
Искусственный графит высокой чистоты: стабилизаторы характеристик кремний-углеродных анодов
Искусственный графит получают из нефтяного кокса и битумного кокса в виде агрегатов, которые формуют, обжигают и графитизируют при высоких температурах. Благодаря своей легко контролируемой структуре и высокой чистоте, он является важным материалом для анодов высокопроизводительных аккумуляторных батарей.
Графит высокой чистоты
Графит высокой чистоты обычно обозначается графитом с содержанием углерода ≥99,91Т3Т (или ≥99,991Т3Т в некоторых областях применения). К его основным преимуществам относятся:
- Высокая электропроводность и низкое внутреннее сопротивление
- Отличный химический стабильность
- Чрезвычайно низкое содержание примесей и ионов металлов.
В системах кремний-углеродных анодов в качестве проводящего каркаса или источника углеродного покрытия часто используется графит высокой чистоты. Благодаря точному измельчению и классификации размер и морфология его частиц могут быть точно контролированы, что помогает смягчить сильное объемное расширение кремния.
Сферический графит: структурная основа кремний-углеродных анодов.
Сферический графит получают из высокоуглеродистого чешуйчатого графита путем механического формования, измельчения, классификации и модификации поверхности, в результате чего образуются эллипсоидные частицы. Это основная морфология для анодов литий-ионных батарей.
Кремний обладает теоретической емкостью до 4200 мАч/г — более чем в десять раз большей, чем у графита, — но страдает от объемного расширения до 3001 ТП3Т во время циклической работы, что приводит к измельчению частиц, многократному разрыву SEI и быстрому снижению емкости. Кремний-углеродные аноды решают эту проблему путем композитирования нанокремния (или SiOx) с углеродными материалами, в частности с графитом.
К основным методам получения кремний-углеродных анодов относятся:
- Шаровая мельница, где нанокремний физически смешивается или наносится на сферический или искусственный графит;
- Химическое осаждение из паровой фазы (CVD), где нанокремний осаждается внутри пористых углеродных матриц (часто графита или твердого углерода), что в настоящее время является доминирующим промышленным методом.
В этих процессах сферический графит играет ключевую роль. Его округлая форма, хорошая текучесть и высокая насыпная плотность делают его предпочтительной матрицей для композитов. После модификации поверхности сферический графит может образовывать стабильные структуры типа «ядро-оболочка» или пористые композитные структуры с наночастицами кремния, что значительно улучшает технологичность и циклическую стабильность.
Графит высокой чистоты и вспученный графит также широко используются для создания проводящих сетей или обеспечения буферизации объема, а кремний-углеродные аноды, улучшенные графеном, стали одним из основных направлений исследований в последние годы.
Графен и вспученный графит: функциональные усилители в кремний-углеродных системах.
Графен, состоящий из одного или нескольких слоев атомов углерода, обладает исключительной электропроводностью и механической прочностью. В кремний-углеродных анодах графен используется для создания проводящих сетей, улучшая скоростные характеристики и срок службы. Его получение в значительной степени основано на сверхтонком измельчении и расслоении высокочистого графита.
Расширенный графит и гибкий графит используются в качестве углеродных покрытий или буферных материалов. Благодаря высокотемпературному расширению и механическому сжатию они образуют пористые структуры, эффективно компенсирующие изменения объема кремния.
Специальный и ядерный графит: основы для создания передового оборудования и производства анодов.
Специальный графит и графит ядерного класса отличаются чрезвычайно высокой чистотой, плотностью и структурной однородностью. Они широко используются в:
- Реакторы для нанесения углеродного покрытия на кремниевые материалы
- Футеровка для печей высокотемпературной термообработки
- Оборудование для графитизации при производстве кремний-углеродных анодов
В их производстве широко используются изостатическое прессование, сверхтонкое измельчение и высокотемпературная очистка, а также строгий контроль размера частиц и наличия следовых примесей.
Шлифовальное оборудование: “герой закулисья” производства кремниево-углеродных анодов.
Рабочие характеристики кремний-углеродных анодов в значительной степени зависят от однородности частиц и контроля наноразмерной структуры, поэтому шлифовальное оборудование является ключевым компонентом процесса:
- Высокоэнергетические шаровые мельницыИспользуется для наноразмерного кремния и его равномерного компаундирования с графитом, что позволяет диспергировать кремний или наносить на него покрытие посредством интенсивного удара и сдвига.
- Наноизмельчители / шариковые мельницыШироко применяется в процессах с использованием жидких реагентов для уменьшения размера частиц кремния до менее 50 нм при минимизации агломерации.
- Измельчение в сочетании с распылительной сушкойВо многих передовых процессах сначала готовят однородные суспензии с помощью шарового или шарикового измельчения, а затем проводят распылительную сушку и карбонизацию для образования квазисферических композитных частиц.
Эти системы измельчения напрямую определяют распределение частиц по размерам, удельную площадь поверхности, начальную кулоновскую эффективность, срок службы и скоростные характеристики. С развитием технологий, основанных на химическом осаждении из газовой фазы (CVD), оборудование для измельчения все чаще используется для точного проектирования пористых углеродных каркасов для последующего осаждения кремния.
Заключение: Эпический порошок Создание кремниево-углеродного будущего.
По мере приближения кремний-углеродных анодов к крупномасштабной коммерциализации, порошковая инженерия точность становится решающим фактором. Компания Epic Powder, обладающая более чем 20-летним опытом в области сверхтонкого измельчения, воздушной классификации и модификации поверхности, предлагает индивидуальные решения для графита, кремния и кремний-углеродных композитных материалов. Благодаря современным шаровым мельницам, струйным мельницам, классификационным мельницам и интегрированным системам измельчения и классификации, Epic Powder помогает... материал батареи Производители добиваются точного контроля частиц, высокой чистоты и стабильной работы, закладывая прочную основу для следующего поколения литий-ионных батарей с высокой плотностью энергии.
Готовы ли вы ускорить кремний-углеродную революцию?
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Опубликовано Эмили Чен