ประสิทธิภาพการใช้งานจริงของวัสดุขั้วบวกคาร์บอนแข็งในแบตเตอรี่โซเดียมไอออนนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาคเป็นอย่างมาก และ ขนาดอนุภาค การกระจายตัว (PSD) และสัณฐานวิทยาเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดเส้นทางการแพร่กระจายของไอออน ความหนาแน่นของการบรรจุอิเล็กโทรด ประสิทธิภาพคูลอมบิกรอบแรก และเสถียรภาพของรอบ. เครื่องพ่นลม, ที่ใช้กันทั่วไปที่สุด การบดละเอียดมาก วิธีการในการเตรียมคาร์บอนแข็งมีพารามิเตอร์กระบวนการที่ส่งผลโดยตรงต่อขั้นสุดท้าย ขนาดอนุภาค, ความกว้างของการกระจาย และลักษณะทางสัณฐานวิทยา ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า บทความนี้จะวิเคราะห์พารามิเตอร์กระบวนการหลักของ การกัดด้วยเครื่องพ่นอากาศ และผลกระทบที่เฉพาะเจาะจงต่อขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาของคาร์บอนแข็ง.
หลักการของเครื่องบดแบบเจ็ทอากาศและพารามิเตอร์กระบวนการหลัก
เครื่องพ่นลม (เรียกอีกอย่างว่า เครื่องบดเจ็ทแบบตรงข้ามของฟลูอิไดซ์เบด หรือ เจ็ทมิลล์แบบแบน) เร่งอนุภาคให้มีความเร็วเหนือเสียงโดยใช้ก๊าซแรงดันสูง (โดยปกติคือไนโตรเจนหรืออากาศอัด) และบดอนุภาคโดยการชนกันที่ศูนย์กลางของห้องบด พารามิเตอร์กระบวนการหลักที่ปรับได้ประกอบด้วย:
- แรงดันการบด (0.6–1.2 MPa)
- ความเร็วล้อจำแนก (1,000–5,000 รอบต่อนาที)
- อัตราการป้อน (กก./ชม.)
- อัตราการไหลของอากาศเสริมต่ออัตราส่วนการไหลของอากาศหลัก
พารามิเตอร์เหล่านี้ร่วมกันกำหนดพลังงานการชน เวลาคงอยู่ และความแม่นยำในการจำแนกประเภทของอนุภาค.
อิทธิพลต่อการกระจายขนาดอนุภาค (PSD) ของวัสดุแอโนดคาร์บอนแข็ง
| พารามิเตอร์กระบวนการ | ผลกระทบต่อขนาดอนุภาค (เพิ่มขึ้น) | ช่วงการเปลี่ยนแปลง D50 ทั่วไป | ผลกระทบต่อความกว้างการกระจาย (ช่วง) |
| แรงดันการบด | D50 ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ | 12ไมโครเมตร→4ไมโครเมตร | แคบลงก่อนแล้วค่อยขยายออกเล็กน้อย |
| ความเร็วล้อจำแนก | D50 ลดลงเป็นเส้นตรง | 10ไมโครเมตร→3ไมโครเมตร | แคบลงอย่างเห็นได้ชัด (วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุด) |
| อัตราการป้อน | D50 เพิ่มขึ้น อนุภาคขนาดใหญ่เพิ่มขึ้น | 5ไมโครเมตร→15ไมโครเมตร | การกระจายสินค้าขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญ |
| การไหลเวียนอากาศเสริม | อัตราส่วนอนุภาคละเอียดเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลง D50 ไม่มีนัยสำคัญ | – | ลดหางเล็กลง ช่วงหางลดลงเล็กน้อย |
ข้อมูลที่วัดได้แสดงให้เห็นว่า:
- เมื่อแรงดันในการบดเพิ่มขึ้นจาก 0.7 MPa เป็น 1.0 MPa D50 ของคาร์บอนแข็งจะลดลงจาก 10.2 μm เป็น 5.1 μm.
- ที่แรงดัน 1.0 MPa เมื่อความเร็วของล้อจำแนกเพิ่มจาก 1,800 รอบต่อนาทีเป็น 3,600 รอบต่อนาที D50 จะลดลงอีกจาก 5.1 μm เป็น 2.8 μm ในขณะที่ค่า Span ((D90-D10)/D50) จะลดลงจาก 1.45 เป็น 0.92 ซึ่งแสดงให้เห็นการกระจายที่แคบลง.
การกระจายขนาดอนุภาคที่แคบและเข้มข้นช่วยปรับปรุงอิเล็กโทรดได้อย่างมีนัยสำคัญ การเคลือบ ความสม่ำเสมอ ลดปรากฏการณ์การชาร์จเกิน/การปล่อยเกินในพื้นที่ และเพิ่มประสิทธิภาพรอบแรก (ประสิทธิภาพรอบแรกของคาร์บอนแข็งสามารถเพิ่มขึ้นได้ 3–8%).
อิทธิพลต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยาของอนุภาคของวัสดุแอโนดคาร์บอนแข็ง
เครื่องบดแบบเจ็ทแอร์เป็นกระบวนการ "บดเอง" ทั่วไป เมื่อเทียบกับการบดด้วยแรงภายนอก เช่น การบดด้วยลูกบอล เครื่องบดแบบเจ็ทแอร์มีคุณลักษณะทางสัณฐานวิทยาดังต่อไปนี้:
- เพิ่มความกลมการชนกันด้วยความเร็วสูงหลายครั้งทำให้มุมแหลมของอนุภาคโค้งมนอย่างต่อเนื่อง ทำให้ความเป็นวงกลมของอนุภาคดีขึ้นจาก 0.65–0.75 เป็น 0.88–0.94 ทำให้อนุภาคมีรูปร่างกลมมากขึ้น.
- ปรับปรุงความเรียบเนียนของพื้นผิว:แรงเสียดทานจากการชนช่วยขจัดเสี้ยนและรอยแตกเล็กๆ บนพื้นผิว ทำให้พื้นที่การเจริญเติบโตของฟิล์ม SEI (ส่วนเชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์ของแข็ง) ลดลง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้.
- การป้องกันการบดมากเกินไปและการรวมตัว:เมื่อเทียบกับการกัดด้วยเครื่องจักร การกัดด้วยเจ็ทอากาศจะทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า (<80℃) ส่งผลให้มีกิจกรรมบนพื้นผิวของอนุภาคต่ำกว่า และมีแนวโน้มการรวมตัวในระดับรองน้อยกว่า ส่งผลให้มีการกระจายตัวที่ดีกว่า.
- ปรากฏการณ์พิเศษ: การก่อตัวเป็นแผ่นภายใต้แรงกดดันที่มากเกินไป:เมื่อแรงดันในการบดเกิน 1.2 MPa และคาร์บอนแข็งมีระดับกราไฟต์สูง อนุภาคบางชนิดอาจเกิดการแยกตัวตามชั้นต่างๆ ทำให้เกิดลักษณะคล้ายแผ่น ซึ่งจะทำให้พื้นที่ผิวจำเพาะเพิ่มขึ้น (>50 m²/g) ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพรอบแรกลง ปรากฏการณ์นี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการควบคุมแรงดันอย่างเคร่งครัดให้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.0 MPa.
ผลกระทบเชิงปฏิบัติของขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า (ข้อมูลทั่วไป)
| D50 (ไมโครเมตร) | สแปน | พื้นที่ผิวจำเพาะ (ตร.ม./ก.) | ความหนาแน่นของแทป (g/cm³) | ความจุแบบกลับได้ครั้งแรก (mAh/g) | ประสิทธิภาพรอบแรก (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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* |
หมายเหตุ: ความละเอียดที่มากเกินไปจะทำให้พื้นที่ผิวจำเพาะมีขนาดใหญ่เกินไป ส่งผลให้ประสิทธิภาพรอบแรกลดลง.
โดยทั่วไปหน้าต่างประสิทธิภาพการทำงานที่เหมาะสมที่สุดจะอยู่ในช่วง D50 4–8 μm และ Span <1.2.
คำแนะนำการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการทางอุตสาหกรรม
ชุดพารามิเตอร์ที่แนะนำ (สำหรับคาร์บอนแข็งที่ใช้ชีวมวล/เรซินฟีนอลิก):
- แรงดันการบด: 0.85-0.95 เมกะปาสคาล
- ความเร็วล้อจำแนก: 2800-3400 รอบต่อนาที
- อัตราการป้อน: ไม่เกิน 70% ของความจุที่กำหนดของอุปกรณ์
- กระบวนการกัดด้วยอากาศเจ็ทสองขั้นตอน: ใช้ขั้นตอนแรกสำหรับการบดหยาบ (ความเร็วต่ำ) + ขั้นตอนที่สองสำหรับการบดละเอียด (ความเร็วสูง) เพื่อสร้างสมดุลระหว่างผลผลิตและความสม่ำเสมอของขนาดอนุภาค.
- นำการตรวจสอบขนาดอนุภาคแบบออนไลน์แบบเรียลไทม์ (การเลี้ยวเบนของเลเซอร์) มาใช้โดยมีการควบคุมป้อนกลับอัตโนมัติของความเร็วล้อจำแนกเพื่อให้ได้การควบคุมการกระจายแบบวงปิด.
บทสรุป
กระบวนการบดด้วยลมอัด (air jet mill) สามารถควบคุมการกระจายตัวของขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาของวัสดุแอโนดคาร์บอนแข็งได้อย่างแม่นยำในช่วงกว้าง โดยการควบคุมแรงดันในการบด ความเร็วของล้อคัดแยก และอัตราป้อนที่แม่นยำ ในบรรดากระบวนการเหล่านี้ ความเร็วของล้อคัดแยกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการควบคุมความกว้างของการกระจายตัว ในขณะที่แรงดันในการบดที่เหมาะสม (0.6–1.0 MPa) สามารถทำให้ได้ค่า D50 ขนาดเล็ก ความกลมของอนุภาคสูง และพื้นที่ผิวจำเพาะที่เหมาะสม การปรับค่าพารามิเตอร์เหล่านี้ให้เหมาะสมอย่างเหมาะสมจะส่งผลให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่เหมาะสม โดยมี “การกระจายตัวที่แคบ ความกลมสูง และพื้นที่ผิวจำเพาะปานกลาง” ซึ่งนำไปสู่ความจุแบบกลับคืนได้ที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพรอบแรก และความเสถียรของรอบในแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ความสามารถในการควบคุมกระบวนการนี้เป็นหนึ่งในหลักประกันทางเทคโนโลยีสำหรับการผลิตแอโนดคาร์บอนแข็งในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่.
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน