กราไฟต์เป็นหนึ่งในธาตุคาร์บอนที่คลาสสิกที่สุด เป็นวัสดุหลักที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาอย่างยาวนาน เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม นอกจากนี้กราไฟต์ยังทนต่ออุณหภูมิสูงและมีคุณสมบัติในการหล่อลื่น สหภาพยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้จัดให้กราไฟต์เป็นวัตถุดิบสำคัญ ออสเตรเลียและภูมิภาคอื่นๆ ก็ได้จัดประเภทเชิงกลยุทธ์ที่คล้ายคลึงกัน การใช้งานกราไฟต์ยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่กราไฟต์เกล็ดธรรมชาติไปจนถึงกราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง กราไฟต์ทรงกลมและกราไฟต์ชนิดพิเศษช่วยเพิ่มมูลค่าทางอุตสาหกรรมให้มากขึ้น ตระกูลกราไฟต์แสดงให้เห็นถึงความสามารถรอบด้านที่แข็งแกร่งในหลายอุตสาหกรรม เช่น โลหะวิทยา อิเล็กทรอนิกส์ เคมีภัณฑ์ และอวกาศ การแปรรูปขั้นสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกราไฟต์นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง การบดละเอียดมาก, ทำให้สามารถใช้งานแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูงเหล่านี้ได้.
อย่างไรก็ตาม ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของยานยนต์พลังงานใหม่และระบบจัดเก็บพลังงาน ความจุทางทฤษฎีของขั้วบวกกราไฟต์แบบดั้งเดิม (372 mAh/g) กำลังเข้าใกล้ขีดจำกัด ทำให้ยากที่จะตอบสนองความต้องการแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้น ดังนั้น วัสดุขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนจึงได้กลายเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ก้าวล้ำเพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้.
ตั้งแต่กราไฟต์เกล็ดและกราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ไปจนถึงกราไฟต์สังเคราะห์ กราไฟต์ความบริสุทธิ์สูง กราไฟต์ชนิดพิเศษ กราไฟต์ทรงกลมเกรดแบตเตอรี่ และกราฟีน ระบบวัสดุกราไฟต์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องไปสู่ความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้นและควบคุมได้ง่ายขึ้น ขนาดอนุภาค, ส่งผลให้มีระดับสิ่งเจือปนต่ำลงและมีความสม่ำเสมอมากขึ้น วิวัฒนาการนี้แยกไม่ออกจากการพัฒนาด้านการบดละเอียดพิเศษของกราไฟต์, การจัดหมวดหมู่, และ การปรับเปลี่ยนพื้นผิว เทคโนโลยี.
กราไฟต์ธรรมชาติ: แหล่งคาร์บอนพื้นฐานสำหรับ ขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน
กราไฟต์ธรรมชาติคือกราไฟต์ แร่ กราไฟต์เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และลักษณะการตกผลึกของมันเป็นตัวกำหนดเส้นทางการแปรรูปและศักยภาพในการใช้งานโดยตรง ในทางอุตสาหกรรม กราไฟต์ธรรมชาติมักถูกจำแนกออกเป็นกราไฟต์ผลึกและกราไฟต์ไมโครผลึก.
กราไฟต์ผลึก (กราไฟต์เกล็ดและกราไฟต์หนาแน่น)
กราไฟต์แบบเกล็ดมีลักษณะเป็นผลึกรูปแผ่นหรือรูปใบไม้ โดยทั่วไปมีขนาดใหญ่กว่า 1 ไมโครเมตร มีคุณสมบัติในการลอยตัว การหล่อลื่น และความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม ทำให้เป็นวัตถุดิบที่นิยมใช้ในการผลิตกราไฟต์ทรงกลมและขั้วบวกคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอน.
ในการเตรียมวัสดุแอโนด กราไฟต์แบบเกล็ดมักจะผ่านกระบวนการขึ้นรูปทางกล การบดละเอียดพิเศษ การคัดแยก และการทำให้บริสุทธิ์ เพื่อให้ได้การกระจายขนาดอนุภาคและพื้นที่ผิวจำเพาะที่เหมาะสม.
กราไฟต์ผลึกหนาแน่น (แบบบล็อก) โดยทั่วไปประกอบด้วยคาร์บอน 60%–65% ซึ่งมีความยืดหยุ่นและความลื่นต่ำกว่า การใช้งานในขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมจึงมีจำกัด และส่วนใหญ่จะใช้ในด้านวัสดุทนไฟและโลหะวิทยาแบบดั้งเดิม.
กราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์
กราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์ประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กมากและมีลักษณะด้านคล้ายดิน โดยทั่วไปจะมีเกรดธรรมชาติสูง โดยบางแหล่งมีปริมาณคาร์บอนเกิน 90% ด้วยความก้าวหน้าในการทำให้บริสุทธิ์ด้วยอุณหภูมิสูงและ การกัดด้วยเจ็ท ในด้านเทคโนโลยีต่างๆ กราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์ถูกนำมาใช้มากขึ้นในสารเติมแต่งนำไฟฟ้าและคาร์บอนการเคลือบ ระบบสำหรับขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน.
กราไฟต์สังเคราะห์และกราไฟต์บริสุทธิ์สูง: สารรักษาเสถียรภาพประสิทธิภาพสำหรับขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน
กราไฟต์สังเคราะห์ผลิตจากปิโตรเลียมโค้กและพิทช์โค้ก โดยนำมาขึ้นรูป อบ และผ่านกระบวนการกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง ด้วยโครงสร้างที่ควบคุมได้ง่ายและความบริสุทธิ์สูง จึงเป็นวัสดุสำคัญสำหรับขั้วบวกของแบตเตอรี่กำลังสูงระดับไฮเอนด์.
กราไฟต์ความบริสุทธิ์สูง
กราไฟต์ความบริสุทธิ์สูงโดยทั่วไปหมายถึงกราไฟต์ที่มีปริมาณคาร์บอน ≥99.9% (หรือ ≥99.99% ในบางการใช้งาน) ข้อดีที่สำคัญได้แก่:
- มีค่าการนำไฟฟ้าสูงและความต้านทานภายในต่ำ
- ยอดเยี่ยม เคมี ความมั่นคง
- มีปริมาณสิ่งเจือปนและไอออนโลหะต่ำมาก
ในระบบแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน มักใช้กราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นโครงสร้างพื้นฐานนำไฟฟ้าหรือแหล่งเคลือบคาร์บอน โดยการบดและการคัดแยกอย่างแม่นยำ ขนาดและรูปร่างของอนุภาคสามารถควบคุมได้อย่างละเอียด ช่วยลดการขยายตัวของปริมาตรอย่างรุนแรงของซิลิคอนได้.
กราไฟต์ทรงกลม: โครงสร้างหลักของขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน
กราไฟต์ทรงกลมผลิตจากกราไฟต์เกล็ดที่มีคาร์บอนสูงโดยผ่านกระบวนการขึ้นรูปทางกล การบด การคัดแยก และการปรับเปลี่ยนพื้นผิว ทำให้เกิดอนุภาคทรงรี ซึ่งเป็นรูปทรงหลักที่ใช้สำหรับขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน.
ซิลิคอนมีศักยภาพทางทฤษฎีสูงถึง 4200 mAh/g ซึ่งมากกว่ากราไฟต์ถึงสิบเท่า แต่มีปัญหาเรื่องการขยายตัวของปริมาตรสูงถึง 300% ในระหว่างการใช้งาน ส่งผลให้เกิดการแตกตัวของอนุภาค การฉีกขาดของชั้น SEI ซ้ำๆ และการลดลงของศักยภาพอย่างรวดเร็ว ขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนแก้ปัญหานี้ได้โดยการผสมนาโนซิลิคอน (หรือ SiOx) กับวัสดุคาร์บอน โดยเฉพาะกราไฟต์.
กระบวนการเตรียมขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:
- การบดลูกบอล, โดยที่นาโนซิลิคอนถูกผสมหรือเคลือบลงบนกราไฟต์ทรงกลมหรือกราไฟต์สังเคราะห์ด้วยวิธีการทางกายภาพ;
- การสะสมไอเคมี (CVD), ซึ่งเป็นกระบวนการที่นาโนซิลิคอนถูกฝังอยู่ภายในเมทริกซ์คาร์บอนที่มีรูพรุน (มักเป็นกราไฟต์หรือคาร์บอนแข็ง) ซึ่งปัจจุบันเป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ได้รับความนิยมมากที่สุด.
ในกระบวนการเหล่านี้ กราไฟต์ทรงกลมมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง รูปทรงกลม ความสามารถในการไหลที่ดี และความหนาแน่นสูง ทำให้กราไฟต์ทรงกลมเป็นวัสดุเมทริกซ์คอมโพสิตที่ได้รับความนิยม หลังจากปรับปรุงพื้นผิวแล้ว กราไฟต์ทรงกลมสามารถสร้างโครงสร้างคอมโพสิตแบบแกน-เปลือกหรือแบบมีรูพรุนที่เสถียรกับนาโนซิลิคอน ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการแปรรูปและความเสถียรในการใช้งานได้อย่างมาก.
กราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและกราไฟต์ขยายตัวยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้าหรือให้การบัฟเฟอร์ปริมาตร ในขณะที่ขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนที่เสริมด้วยกราฟีนได้กลายเป็นประเด็นวิจัยหลักในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา.
กราฟีนและกราไฟต์ขยายตัว: สารเสริมประสิทธิภาพการทำงานในระบบซิลิคอน-คาร์บอน
กราฟีน ซึ่งประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวหรือสองสามชั้น มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลที่ยอดเยี่ยม ในขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน กราฟีนถูกใช้เพื่อสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้า ช่วยเพิ่มความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าและยืดอายุการใช้งาน การเตรียมกราฟีนต้องอาศัยการบดละเอียดและการแยกชั้นของกราไฟต์บริสุทธิ์สูงเป็นอย่างมาก.
กราไฟต์ขยายตัวและกราไฟต์ยืดหยุ่นทำหน้าที่เป็นวัสดุเคลือบหรือวัสดุกันกระแทกด้วยคาร์บอน โดยผ่านการขยายตัวที่อุณหภูมิสูงและการบีบอัดทางกล ทำให้เกิดโครงสร้างที่มีรูพรุนซึ่งรองรับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของซิลิคอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ.
กราไฟต์ชนิดพิเศษและเกรดนิวเคลียร์: รากฐานสำหรับอุปกรณ์ขั้นสูงและการผลิตขั้วบวก
กราไฟต์ชนิดพิเศษและกราไฟต์เกรดนิวเคลียร์มีคุณสมบัติเด่นคือมีความบริสุทธิ์ ความหนาแน่น และความสม่ำเสมอของโครงสร้างสูงมาก จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ ดังนี้:
- เครื่องปฏิกรณ์เคลือบด้วยคาร์บอนสำหรับวัสดุซิลิคอน
- วัสดุบุผนังสำหรับเตาอบชุบแข็งอุณหภูมิสูง
- อุปกรณ์กราไฟต์สำหรับการผลิตขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน
กระบวนการผลิตของพวกเขาอาศัยการอัดแบบไอโซสแตติก การบดละเอียดพิเศษ และการทำให้บริสุทธิ์ด้วยอุณหภูมิสูงเป็นอย่างมาก โดยมีการควบคุมขนาดอนุภาคและสิ่งเจือปนในปริมาณน้อยอย่างเข้มงวด.
อุปกรณ์บด: “ฮีโร่เบื้องหลัง” ของการผลิตขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน
ประสิทธิภาพของขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนขึ้นอยู่กับความสม่ำเสมอของอนุภาคและการควบคุมโครงสร้างระดับนาโนอย่างมาก ทำให้เครื่องมือบดเป็นส่วนประกอบหลักของกระบวนการนี้:
- เครื่องบดลูกบอลพลังงานสูง: ใช้สำหรับลดขนาดซิลิคอนให้เป็นระดับนาโนและผสมผสานกับกราไฟต์อย่างสม่ำเสมอ ทำให้สามารถกระจายตัวหรือเคลือบซิลิคอนได้แม้ภายใต้แรงกระแทกและแรงเฉือนสูง.
- เครื่องบดนาโน / เครื่องบดลูกปัด: นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการเปียกเพื่อลดขนาดอนุภาคซิลิคอนให้ต่ำกว่า 50 นาโนเมตร พร้อมทั้งลดการจับตัวเป็นก้อนให้น้อยที่สุด.
- การบดร่วมกับการอบแห้งแบบพ่นฝอยกระบวนการขั้นสูงหลายกระบวนการเริ่มต้นด้วยการเตรียมสารละลายข้นที่มีความสม่ำเสมอโดยใช้การบดด้วยลูกบอลหรือลูกปัด ตามด้วยการอบแห้งแบบสเปรย์และการเผาไหม้คาร์บอนเพื่อสร้างอนุภาคคอมโพสิตที่มีรูปร่างคล้ายทรงกลม.
ระบบการบดเหล่านี้เป็นตัวกำหนดโดยตรงถึงการกระจายขนาดอนุภาค พื้นที่ผิวจำเพาะ ประสิทธิภาพคูลอมบิกเริ่มต้น อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพอัตราการผลิต ด้วยการเติบโตของกระบวนการ CVD อุปกรณ์การบดจึงถูกนำมาใช้มากขึ้นในการออกแบบโครงสร้างคาร์บอนที่มีรูพรุนอย่างแม่นยำสำหรับการตกตะกอนซิลิคอนในขั้นตอนต่อไป.
บทสรุป: ผงมหากาพย์ เสริมศักยภาพอนาคตของซิลิคอน-คาร์บอน
เนื่องจากขั้วไฟฟ้าแอโนดซิลิคอน-คาร์บอนกำลังก้าวไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่, วิศวกรรมผง ความแม่นยำกลายเป็นปัจจัยชี้ขาด. Epic Powder ด้วยประสบการณ์กว่า 20 ปีในด้านการบดละเอียดพิเศษ การคัดแยกด้วยลม และการปรับปรุงพื้นผิว จึงสามารถนำเสนอโซลูชันที่ปรับแต่งได้สำหรับกราไฟต์ ซิลิคอน และวัสดุคอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอน โดยใช้เครื่องบดลูกบอล เครื่องบดเจ็ท เครื่องบดคัดแยก และระบบบด-คัดแยกแบบครบวงจร Epic Powder ช่วยให้... วัสดุแบตเตอรี่ ผู้ผลิตสามารถควบคุมอนุภาคได้อย่างแม่นยำ มีความบริสุทธิ์สูง และมีประสิทธิภาพสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นการวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความหนาแน่นพลังงานสูงรุ่นต่อไป.
คุณพร้อมที่จะเร่งการปฏิวัติซิลิคอน-คาร์บอนแล้วหรือยัง?
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน