Hiệu suất thực tế của vật liệu anot cacbon cứng trong pin ion natri phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc vi mô của chúng và kích thước hạt sự phân bố (PSD) và hình thái là những yếu tố chính quyết định con đường khuếch tán ion, mật độ đóng gói điện cực, hiệu suất Coulombic chu kỳ đầu tiên và độ ổn định của chu kỳ. Máy nghiền khí nén, là loại được sử dụng phổ biến nhất nghiền siêu mịn phương pháp chế tạo cacbon cứng, có các thông số quy trình ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả cuối cùng kích thước hạt, độ rộng phân bố và đặc điểm hình thái, do đó ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất điện hóa. Bài viết này sẽ phân tích một cách có hệ thống các thông số quy trình chính của phay bằng tia khí và tác động cụ thể của chúng lên kích thước hạt và hình thái của cacbon cứng.
Nguyên lý của máy nghiền khí nén và các thông số quy trình chính
Máy nghiền khí nén (còn được gọi là máy nghiền phản lực tầng sôi hoặc máy nghiền tia phẳng) tăng tốc các hạt lên tốc độ siêu thanh bằng khí áp suất cao (thường là nitơ hoặc khí nén) và nghiền nát chúng thông qua các va chạm ở trung tâm buồng nghiền. Các thông số quy trình chính có thể điều chỉnh bao gồm:
- Áp suất nghiền (0,6–1,2 MPa)
- Tốc độ bánh xe phân loại (1000–5000 vòng/phút)
- Tốc độ nạp liệu (kg/h)
- Tỷ lệ lưu lượng khí phụ trợ so với lưu lượng khí chính
Các thông số này cùng nhau xác định năng lượng va chạm, thời gian lưu trú và độ chính xác phân loại của các hạt.
Ảnh hưởng đến sự phân bố kích thước hạt (PSD) của vật liệu anot cacbon cứng
| Tham số quy trình | Tác động đến kích thước hạt (Tăng) | Phạm vi thay đổi điển hình của D50 | Tác động đến chiều rộng phân phối (khoảng cách) |
| Áp suất nghiền | D50 giảm đáng kể | 12μm→4μm | Đầu tiên thu hẹp, sau đó mở rộng một chút |
| Tốc độ bánh xe phân loại | D50 giảm tuyến tính | 10μm→3μm | Thu hẹp đáng kể (Phương tiện hiệu quả nhất) |
| Tốc độ cho ăn | D50 tăng, các hạt lớn hơn tăng | 5μm→15μm | Phân phối mở rộng đáng kể |
| Lưu lượng khí phụ trợ | Tỷ lệ hạt mịn tăng, D50 thay đổi không đáng kể | – | Giảm đuôi mịn, Span giảm nhẹ |
Dữ liệu đo được cho thấy:
- Khi áp suất nghiền tăng từ 0,7 MPa lên 1,0 MPa, D50 của cacbon cứng giảm từ 10,2 μm xuống 5,1 μm.
- Ở áp suất 1,0 MPa, khi tốc độ bánh xe phân loại tăng từ 1800 vòng/phút lên 3600 vòng/phút, D50 giảm thêm từ 5,1 μm xuống 2,8 μm, trong khi giá trị Span ((D90-D10)/D50) giảm từ 1,45 xuống 0,92, cho thấy phân bố hẹp hơn.
Phân bố kích thước hạt hẹp và tập trung cải thiện đáng kể điện cực lớp phủ tính đồng nhất, giảm hiện tượng quá tải/xả quá mức cục bộ và tăng cường hiệu suất chu kỳ đầu tiên (hiệu suất chu kỳ đầu tiên của carbon cứng có thể tăng thêm 3–8%).
Ảnh hưởng đến đặc điểm hình thái hạt của vật liệu anot cacbon cứng
Máy nghiền khí nén là một quy trình “tự nghiền” điển hình. So với phương pháp nghiền lực bên ngoài như nghiền bi, nó có những đặc điểm sau về mặt hình thái:
- Tăng độ cầu: Nhiều va chạm tốc độ cao liên tục làm tròn các góc nhọn của các hạt, cải thiện độ tròn của chúng từ 0,65–0,75 lên 0,88–0,94, khiến chúng có hình cầu hơn.
- Độ mịn bề mặt được cải thiện: Ma sát va chạm loại bỏ các gờ và vết nứt nhỏ trên bề mặt, giảm diện tích phát triển của màng SEI (pha điện phân rắn), giúp giảm thiểu tình trạng mất dung lượng không thể phục hồi.
- Ngăn ngừa sự nghiền quá mức và kết tụ:So với nghiền cơ học, nghiền bằng tia khí hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn (<80℃), dẫn đến hoạt động bề mặt hạt thấp hơn và xu hướng kết tụ thứ cấp ít hơn, dẫn đến khả năng phân tán tốt hơn.
- Hiện tượng đặc biệt: Hình thành dạng tấm ở áp suất quá mức: Khi áp suất nghiền vượt quá 1,2 MPa và bản thân carbon cứng có độ than hóa cao, một số hạt có thể bị tách lớp dọc theo các lớp, tạo thành hình dạng giống như tấm. Điều này làm tăng diện tích bề mặt riêng (>50 m²/g), có thể làm giảm hiệu suất chu kỳ đầu tiên. Hiện tượng này có thể được tránh bằng cách kiểm soát chặt chẽ áp suất ở mức ≤1,0 MPa.
Tác động thực tế của kích thước hạt và hình thái lên hiệu suất điện hóa (Dữ liệu điển hình)
| D50 (μm) | Khoảng cách | Diện tích bề mặt riêng (m²/g) | Mật độ vòi (g/cm³) | Dung lượng đảo ngược đầu tiên (mAh/g) | Hiệu suất chu kỳ đầu tiên (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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* |
Lưu ý: Độ mịn quá mức sẽ dẫn đến diện tích bề mặt riêng quá lớn, từ đó làm giảm hiệu suất chu kỳ đầu tiên.
Cửa sổ hiệu suất tối ưu thường nằm trong khoảng D50 4–8 μm và Span <1,2.
Khuyến nghị tối ưu hóa quy trình công nghiệp
Kết hợp thông số khuyến nghị (cho carbon cứng gốc sinh khối/nhựa phenolic):
- Áp suất nghiền: 0,85-0,95 MPa
- Tốc độ bánh xe phân loại: 2800-3400 vòng/phút
- Tốc độ cho ăn: Không vượt quá 70% công suất định mức của thiết bị
- Quy trình phay bằng tia khí hai giai đoạn: Sử dụng giai đoạn đầu tiên để nghiền thô (tốc độ thấp) + giai đoạn thứ hai để nghiền mịn (tốc độ cao) để cân bằng sản lượng và độ đồng đều về kích thước hạt.
- Triển khai giám sát kích thước hạt trực tuyến theo thời gian thực (nhiễu xạ laser) với khả năng điều khiển phản hồi tự động tốc độ bánh xe phân loại để đạt được khả năng kiểm soát phân phối vòng kín.
Phần kết luận
Quy trình nghiền khí nén, thông qua việc kiểm soát chính xác áp suất nghiền, tốc độ bánh xe phân loại và tốc độ cấp liệu, có thể điều chỉnh sự phân bố kích thước hạt và hình thái của vật liệu anot cacbon cứng trong một phạm vi rộng. Trong số đó, tốc độ bánh xe phân loại là phương tiện hiệu quả nhất để kiểm soát độ rộng phân bố, trong khi áp suất nghiền tối ưu (0,6–1,0 MPa) có thể đạt được D50 nhỏ, độ cầu hạt cao và diện tích bề mặt riêng phù hợp. Việc tối ưu hóa hợp lý các thông số này có thể tạo ra một cấu trúc vi mô lý tưởng với "phân bố hẹp, độ cầu cao và diện tích bề mặt riêng vừa phải", dẫn đến dung lượng thuận nghịch cao hơn, hiệu suất chu kỳ đầu tiên và độ ổn định chu kỳ trong pin ion natri. Khả năng kiểm soát quy trình này là một trong những đảm bảo công nghệ cốt lõi cho quá trình công nghiệp hóa anot cacbon cứng quy mô lớn.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen