Большинство людей оценивают результат измельчения по показателю D50. Для пористого углерода этот показатель может вводить в заблуждение. Ценность пористого углерода определяется сетью пор внутри каждой частицы, а не степенью измельчения. Эти поры разрушаются при слишком интенсивном измельчении, и удельная площадь поверхности уменьшается. Поэтому перед выбором мельницы стоит поинтересоваться, какая часть ее поверхности сохранилась после процесса измельчения.
Почему пористый углерод — это не просто порошок
В качестве основы для кремнийуглеродного анода пористый углерод обычно имеет общий объем пор по Гурвичу от 0,1 до 0,3 см³/г и площадь поверхности по методу BET от 50 до 200 м²/г. Коммерческие марки на основе смол значительно превосходят его по этим показателям, имея объем пор более 1,5 см³/г и площадь поверхности более 2600 м²/г. Каждый квадратный метр является функциональным активом в суперконденсаторе, газовом электроде или аноде батареи.
Основная угроза — механические повреждения. Опубликованные исследования анодов из твердого углерода показывают, что шаровое измельчение разрушает упорядоченные графитовые области, снижает кристалличность, открывает закрытые поры и повышает концентрацию дефектов. Эффективность первого цикла падает, и потери увеличиваются с увеличением времени измельчения. В одном из примеров образец твердого углерода, измельченный в течение пяти часов, сохранил менее одной десятой своего первоначального срока службы после 100 циклов. Закономерность очевидна: чем больше энергии измельчения, тем ниже ценность материала.
Именно поэтому важным показателем является сохранение удельной площади поверхности, а не D50. В целом, в отрасли обычно наблюдается тенденция к мягкой деагломерации пористых углеродных кластеров, что обеспечивает сохранение... 90–95 процентов исходной удельной площади поверхности сохраняется, в то время как тонкая шлифовка до размера частиц в несколько микрон обычно обеспечивает сохранение от 70 до 85 процентов, В зависимости от исходного сырья, целевого размера частиц и энергии мельницы. Эти диапазоны устанавливают стандарт, используемый в данной статье.
Что происходит внутри каждой мельницы?
Все три представленных здесь аппарата уменьшают размер частиц, но применяют разную силу воздействия, и эта разница определяет, выживут ли ваши поры.
В шаровой или механической ударной мельнице для измельчения и сдвига порошка используются мелющие элементы. Высокоскоростные столкновения между частицами и элементами вызывают локальную холодную сварку и заносят продукты износа в продукт. Стальные элементы, в частности, приводят к загрязнению железом. Испытания показывают, что железо из стальных шариков может значительно снизить нормированную по площади поверхности емкость по сравнению с керамическими элементами.
Струйная мельница работает в обратном направлении. В ней вообще не используются измельчающие элементы. Сжатый газ ускоряет частицы до тех пор, пока они не начнут разрушаться друг о друга. Расширяющийся газ охлаждает камеру, поэтому температура может поддерживаться ниже 45°C. Керамическая футеровка из оксида алюминия или диоксида циркония поддерживает содержание железа ниже 10 ppm, что делает струйную мельницу самым чистым вариантом для окончательного измельчения.
Между ними находится штифтовая мельница. Высокоскоростные штифты обеспечивают кратковременный удар и сдвиг с концентрированной энергией и очень коротким временем контакта. Такая конструкция позволяет ей разрушать мягкие агломераты, не разрушая первичные частицы или их поры.
На практике, штифтовая и струйная мельницы выполняют две разные задачи, а не являются двумя способами выполнения одной и той же задачи. Штифтовая мельница деагломерирует, а струйная — измельчает. Определение того, какую именно задачу вы выполняете, является первым шагом при выборе оборудования.
1: Штифтовая мельница для щадящей деагломерации
Пористый углерод в процессе синтеза образуется в виде блоков или плотных агломератов. Высокая поверхностная энергия, обусловленная большой площадью поверхности, создает сильное ван-дер-ваальсово и электростатическое притяжение между частицами, поэтому они легко слипаются. Если эти кластеры сразу попадают на стадию тонкого измельчения, это приводит к локальному переизмельчению и частичному разрушению пористой структуры.
Здесь находится штифтовая мельница Принадлежит к определенной группе частиц. Его короткие ударные импульсы разрывают мягкие связи между сгруппированными частицами, не повреждая первичные частицы. Поток воздуха также переносит рыхлый порошок в однородный газообразный поток, что предотвращает повторное образование кластеров после их разделения.
Измельчитель с игольчатыми головками — это этап предварительной обработки, и ключевое слово здесь — «разрушение», а не «измельчение». В типичных экспериментах по деагломерации измельчитель с игольчатыми головками уменьшает размер пористого углерода с D50 примерно 25 мкм до примерно 10 мкм, сохраняя при этом... примерно 90-95 процентов удельной площади поверхности зависит от исходного сырья и рабочих параметров. Для более подробного сравнения работы штифтовой мельницы и струйной мельницы в этой конкретной задаче, см. нашу предыдущую статью о деагломерации углеродных и аккумуляторных материалов в штифтовой мельнице.
2: Пневматическая классификационная мельница для измельчения с контролем точки отсечки.
Ан воздухоклассифицирующая мельница Эта проблема решается за счет продуманной конструкции. Измельчение и классификация происходят в одной камере. Вращающееся классификационное колесо высвобождает мелкий порошок, как только он соответствует требованиям, в то время как крупный материал рециркулирует внутри. Частицы, уже соответствующие требованиям, немедленно удаляются, а не измельчаются повторно. Этот же механизм также позволяет контролировать энергопотребление: мельница измельчает только то, что еще нуждается в измельчении, вместо того, чтобы повторно обрабатывать материал, уже соответствующий требованиям.
Для пористого углерода в спецификации обычно требуется диапазон менее 1,2 и строго контролируемое значение D90, поскольку широкий или грубый хвост вызывает дефекты в покрытии электрода. В данном случае важен диапазон, а не D50. Классификационная мельница — это машина, которую вы выбираете, когда необходимо контролировать распределение, и именно встроенная точка отсечки обеспечивает этот контроль.
3: Струйная мельница для прецизионного измельчения с сохранением целостности пор.
A струйная мельница Достигается значение D50 от 0,5 до 3 мкм с разбросом менее 1,5 и контролируемым значением D100. При обработке пористого углерода струйная обработка в псевдоожиженном слое обычно обеспечивает значение D50 в диапазоне от 1 до 5 мкм диапазон с D100 ниже 10 мкм, а опубликованные сравнительные данные показывают, что твердый углерод, обработанный струйным фрезером, может сохранять более высокая степень сохранения емкости по сравнению с материалом, полученным шаровой мельницей, Хотя точный разрыв зависит от исходного сырья и конструкции ячейки. В ходе промышленных испытаний пористый углерод, подаваемый с размером частиц D50 примерно от 40 до 50 мкм, измельчали до размера частиц D50. 5–8 мкм Диапазон с размахом менее 1,2 и выходом системы более 98 процентов при использовании вторичного воздушного циклона. Лабораторная струйная обработка также продемонстрировала стабильные значения D50. 2–3 мкм диапазон, сохраняя при этом структуру пор и площадь поверхности в значительной степени неизменными.
Использование струйной мельницы с керамической футеровкой и контролируемой температурой сжатого воздуха делает её самым безопасным способом измельчения пористого углерода до размеров, исчисляемых несколькими микронами. Это не самый дешёвый вариант. Это тот вариант, который вы выбираете, когда необходимо одновременно обеспечить целостность пор и точность частиц.
Многоступенчатая реальность: почему одной машины редко бывает достаточно
Состав пористого углеродного сырья значительно различается, что не всегда ожидаешь от него большинство инженеров. Углерод на основе биомассы, смол и нефтяного кокса отличается прочностью частиц, агломерацией и толщиной стенок пор, поэтому ни одна установка не справится со всеми из них должным образом.
Пористый углерод на основе биомассы улучшает измельчаемость после карбонизации, когда внутренние поры распадаются на карбонизированные микропоры, но прочность стенок пор сильно зависит от исходного сырья. Углерод на основе смолы обладает большей механической прочностью и лучше выдерживает усилия измельчения, чем материал на основе биомассы.
Разница проявляется на практике. Когда одна и та же машина используется для обработки трех различных пористых углеродных материалов, достижение целевого размера частиц в каждом цикле становится скорее исключением, чем правилом. Двухступенчатая установка, состоящая из штифтовой мельницы для предварительной обработки и струйной мельницы для тонкого измельчения, обычно позволяет привести все три материала в соответствие с заданными параметрами.
Практическая суть заключается в двухэтапной логике. В начале процесса шаровая мельница измельчает агломераты. В середине классифицирующая мельница контролирует распределение. В конце шаровая мельница обеспечивает точность и сохраняет пористость. В большинстве проектов по производству пористого углерода необходимы как минимум два из трех этапов, и выбор этих двух зависит от типа сырья.
Пять вопросов, которые помогут выбрать подходящую мельницу для пористой углеродной заготовки.
Прежде чем сравнивать оборудование, ответьте на эти пять вопросов. Ответы сразу укажут на то, какое оборудование вам нужно.
1. Какое сырье используется в качестве основы?
Углерод, полученный из биомассы, смолы и нефтяного кокса, различается по степени агломерации и прочности стенок пор, и от этого зависит необходимость использования штифтовой мельницы на начальном этапе.
2. Какой пролет вам нужен?
Обычно для обозначения узкого пролета используется классификационная мельница или струйная мельница со встроенной системой классификации, а не простая ударная мельница.
3. Каков ваш предел содержания магнитных примесей?
Если концентрация примесей не превышает 50 ppm или 10 ppm, то ответ на этот вопрос определяет, являются ли керамические футеровки и мельница без использования абразивных материалов приоритетом или необходимостью.
4. Какова минимальная площадь поверхности или объем пор, которые вы можете сохранить?
Это единственный критерий для проверки пористого углерода, позволяющий либо пройти, либо не пройти тест, и он должен исключить из рассмотрения любое оборудование, не соответствующее требованиям.
5. Какая пропускная способность вам необходима?
Лабораторные испытания при производительности 500 граммов в час, опытная линия со скоростью 10-15 кг в час и полномасштабное производство — для каждого из этих параметров необходимы машины разных размеров.
Если вы не уверены, какая из этих машин подходит для вашего пористого углерода, пришлите нам образец и ваши целевые характеристики. Мы проведем пробное тестирование и предоставим данные о распределении частиц по размерам, а также данные об удержании площади поверхности, чтобы вы могли выбрать оборудование, исходя из тех параметров, которые действительно важны для пористого углерода.
Эпическая пудра
В Эпическая пудра, we offer a wide range of equipment models and tailor solutions to meet your specific needs. Our team has more than 20 years experience in various powders processing. Epic Powder is specialized in fine powder processing technology for mineral industry, chemical industry, food industry, pharama industry, etc. Contact us today for a free consultation and customized solutions!
“Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем службы поддержки EPIC Powder». Зельда По любым дополнительным вопросам обращайтесь.”
— Джейсон Ванг, Инженер