أنثراسيت لإنتاج البطاريات: أغلفة وأنودس

أنثراسيت المواد


الجمرة الخبيثة
هي واحدة من أنقى وقيمة عالية أشكال الفحم. كمادة كربونية التي كانت ملايين السنين في صنع، وكثافة الطاقة العالية يؤدي بها إلى أن تكون النوع المفضل من الفحم لتطبيقات توليد الطاقة. وبصرف النظر عن
التطبيقات الأخرى واسعة النطاق
في
الانكسار
والتصنيع المباشر للسلع والمواد الكيميائية المختبرية (1) ، يرى anthracite الاستخدامات الأساسية كمكونات حيوية في كل من تقنيات البطارية التقليدية والمعاصرة. يتكون الهيكل الداخلي للجمرة الخبيثة من أوراق تشبه الجرافين ، وتشكيل حزم ذات توجهات محددة بوضوح (2). عبر جميع التطبيقات، نقاء الانثراسيت مباشرة من الأرض، وتوافر واسعة وانخفاض الأسعار جعلها مادة جذابة للاستخدام.

الجمرة الخبيثة المتكلسة في كومة

كثافة

الكثافة هي الآفة المستمرة لصانع البطارية الحديث. البطاريات الثقيلة تعني كثافة طاقة إجمالية أقل نظرا لحالة الشحن المستمرة. على هذا النحو ، يتم استهداف المواد منخفضة الكثافة كحشو لتصنيع أغلفة / أقطاب كهربائية. الجمرة الخبيثة لديها كثافة من 1.3 إلى 1.8 غرام / سم3، وهو أقل من أسود الكربون وأقل من نصف أكسيد الألومنيوم -- مما يجعلها خيارا جيدا حتى قبل النظر في مزايا أخرى (3). يمكن استخدام الجمرة الخبيثة منخفضة الكثافة خفض وزن البطارية بشكل كبير، مقارنة بمتوسط كثافة في جميع الحشو المشترك من 2.6 إلى 2.9 غرام / سم3.

التوصيل

بالنسبة لأي تطبيق ينطوي على تخزين الطاقة الكهربائية ، من المهم التأكد من الموصلية والمقاومة للجمرة الخبيثة. وبطبيعة الحال، يمكن أن تختلف الموصلية كدالة لدرجة الحرارة، ولكن خلايا البطارية هي أنظمة مغلقة لذلك لجميع النوايا والأغراض، بمجرد مختومة داخل الموصلية الخلية من مادة معينة سوف تبقى ثابتة. وهناك اعتبار مهم، أيضا، للطلاء / أغلفة هو ما إذا كان الدوائر القصيرة هو احتمال. Anthracite في شكل غير المعالجة هو موصل كهربائي الفقراء، مما يجعلها مناسبة لأغلفة مع معالجة قليلة أو معدومة جانبا من طحن(4). لتطبيقات القطب الكهربائي، مطلوب التكلس (وبالتالي الجرافيتسيشن اللاحقة) لتحسين الموصلية الكهربائية. وتعتبر ظواهر مثل تأثير رابوبورت غير قضايا لهذه التطبيقات (5).

صلابة / قابلية العمل

ترتبط ارتباطا قويا صلابة هو فكرة قابلية العمل، كما هو الحال في ما إذا كان يمكن تشكيل المنتج / طحنها في مادة قابلة للاستخدام (6). وعموما، لا يعتبر الأنثراسيت مادة "صلبة"، مع صلابة موس في المنطقة من 2-3، مقارنة بالماس في 10. Anthracite - قبل وبعد التكلس / الجرافيتيز - يعمل بسهولة مع. وقد خفضت Anthracite مستويات رهاب الماء مقارنة ببعض أشكال الكربون(7).

الزراعية النحاسية
الزراعة الجير

التطبيقات في أغلفة

ربما من غير البديهي، وقد استخدمت anthracite في أغلفة البطارية كعنصر حشو الحيوية في تشكيل أنواع معينة من المطاط الاصطناعي. وقد استخدم المطاط - وما شابه ذلك من البلاستيك - منذ فترة طويلة لاحتواء بطاريات من نوع حمض الرصاص المستخدمة في قطاعي السيارات والطيران. تتطلب هذه الخلايا عالية السعة القابلة لإعادة الشحن أغلفة طويلة الأمد وصعبة نسبيا (8). ويمكن التسامح مع عنصر هشاشة في مثل هذه التطبيقات والبطاريات نفسها تميل إلى أن تكون مدعومة بشكل جيد، وليس تحمل الحمل، ولها القليل من القوى الميكانيكية أو معدومة تمارس عليها. Anthracite هو مادة مناسبة كما هو مقاوم كهربائيا، بالإضافة إلى توفير العديد من الفوائد الأخرى.

المطاط والبلاستيك

يتكون المطاط من الأيزوبريني البوليمري المصدر من اللاتكس من الهيفية brasiliensis، في حين يستخدم المطاط الاصطناعي ايزوبريني من صنع الإنسان التي تم الحصول عليها من المنتجات النفطية. وتستخدم عادة يستكثر وكلاء، والمعروفة باسم الحشو، لجعل المطاط تذهب أبعد من ذلك، إضافة خصائص فريدة من نوعها والمساعدة في التصنيع.

الأنثراسيت الأرض هو خيار شعبي من حشو نظرا لسهولة العمل وانخفاض التكلفة، في حين يجري إلى حد كبير خالية من الملوثات في المصدر - anthracite كونها أنقى شكل من أشكال الفحم. يضاف الأنثراسيت المطحون إلى تصنيع المطاط بكميات تصل إلى 80٪ من حيث الوزن. هذه الإضافات ليس فقط جعل المواد الجديدة في تلوين أسود، ولكن ضمان انخفاض الوزن بسبب كثافة الجمرة الخبيثة منخفضة. وقد استخدمت Anthracite كما حشو فعالة في المطاط الصلب / البلاستيك منذ 1940s على الأقل في وقت مبكر (9).

تأثير الأنثراسيت على المطاط

وبصرف النظر عن الآثار السائبة للعمل كحشو، أي توفير معظم الحجم المادي للمادة، واستخدام anthracite كحشو للمطاط يسبب زيادة ملحوظة في نقاط القوة الشد في مجموعة متنوعة من المطاط. وقد أظهرت الأبحاث أن في المطاط الاصطناعية من نوع الستيرين-بوتادين، والجمرة الخبيثة المطحونة في حجم الجسيمات من كاليفورنيا. 3 ميكرومتر المستخدمة في 30٪ من كمية الوزن منح المطاط مع نقاط القوة الشد حوالي 15٪ أكبر مما كانت عليه عندما تم استخدام أسود الكربون كما حشو(10). ومع ذلك ، يلاحظ المؤلفون أن القوة تزداد مع تحميل أكبر للجمرة الخبيثة إلى حد ما - يصبح الهشاشة ملحوظا عند أعلى مستويات الأنثراسيت.

فائدة ملحوظة لاستخدام anthracite كحشو للمطاط واللدائن الحرارية المماثلة هي زيادة الاستقرار الحراري للمواد النهائية ، الناتجة عن توليد في الموقع من مركب مادة البوليمر الكربوني (11). الاستقرار الحراري في المطاط النهائي / البلاستيك هو ذات فائدة خاصة للمواد المستخدمة لأغلفة البطارية كما توجد البطاريات في كثير من الأحيان في بيئات دافئة، كما هو الحال في خليج المحرك للسيارات، وبالتالي يتم تقييم المقاومة على المدى الطويل لدرجة الحرارة لعمر البطارية المستمر دون تسرب. بالمقارنة مع أنواع الفحم الأخرى - الأقل - ، يتم طحن anthracite بسهولة أكبر إلى أحجام الجسيمات فائقة الدقة المطلوبة (12) وتتمتع ببنية مادية مشابهة للجرافيت (13) ، وبالتالي تتطلب معالجة قليلة قبل الاستخدام.

تشكيل المطاط باستخدام نسب عالية من المواد الكربونية مثل الحشو الجمرة الخبيثة لا يؤدي إلى درجة من تشكيل المسام، ولكن هذه ليست اختراقية من خلال المواد السائبة، وغالبا ما يكون أحجام المسام أصغر من 2 نانومتر (14) وذلك لا يعترف كمشكلة. في الواقع مثل هذه نانو / micropores مفيدة. يتم تشكيل المطاط من خلال عملية تعرف باسم فولكانيشن، واللدائن التي شكلتها فولكانيشن ملء المسام (15).

عند تشكيل مركبات مثل المطاط ، يتم تقليل إجهاد الشد بسبب السلاسل الجزيئية للمطاط / البلاستيك "الانزلاق" على الأنثراسيت المطحون عند وضعه تحت ضغط خارجي - مثل هذا "الانزلاق" يقلل من الآثار المجهدة بشكل عام وبالتالي يمكن أن يقال لتعزيز الهيكل (16). وتفيد التقارير أن الجمرة الخبيثة المطحونة لديها تفاعل ملزم أقوى مع جزيئات المطاط من المواد الكربونية الأخرى.

الاعتبارات في التطبيقات

حجم طحن نموذجي للجمرة الخبيثة للمطاط هو 325 شبكة (44 ميكرومتر)(17). حاسمة لطول العمر من الخدمة -- وخاصة في قطاعات السيارات -- هو استخدام الكربون أعلى مستويات الجودة لإنتاج المطاط / البلاستيك حاوية البطارية. ومن المسلم Anthracite على هذا النحو مادة، ويتيح خصائص القوة إلى الغلاف العام. وعلى الرغم من ذلك، ينبغي تأمين البطاريات ذات أغلفة الكربون المطاطية/البلاستيكية بأكثر من نقطة تصاعد واحدة لمنع الإجهاد غير المبرر(18)، إذا كان من المرجح أن تحدث ضغوط، خاصة مع ارتفاع محتويات الكربون التي تتجاوز 75٪. ومن المفترض أن التوصيلية الكهربائية في أغلفة المطاط تزداد عن طريق إدراج الحشو الثانوي مثل الطين، وبالتالي ينبغي تجنب هذه (19).

استخراج المذيبات الجمرة الخبيثة
الحديد

التطبيقات في أنودس

وهناك استخدام سريع النمو للجمرة الخبيثة المطحونة والمطحونة في إنتاج أنودات عالية الأداء ومنخفضة الوزن لأنظمة البطارية الحديثة. بالاعتماد على الأنثراسيت الذي يجري بشكل كبير (الذي يتحقق عن طريق التكلس والجرافيتيز، انظر أدناه)، تستخدم التقنيات الناشئة المواد بشكل متكرر كنودانات في خلايا أيونات الليثيوم الممتازة (20)، مرورا ببطاريات المركبات الكهربائية (21) وخلايا فوسفات الصوديوم والفاناديوم الراقية (22) التي تدعي أنها تتحمل مستويات معززة من كثافة الطاقة وقدرات الشحن السريع. تعتمد مجلدات الاستخدام هذه على التركيب الجزيئي المحدد بوضوح للجمرة الخبيثة ، وكثافته المنخفضة وبالتالي وزنه الأخف ، ومقاومته الكهربائية المنخفضة عند تكلسه. يمكن استخدام الأنثراسيت المتكلس كجزء من القطب الكهربائي - في كثير من الأحيان أكثر من 50٪ من كتلة القطب الكهربائي - أو كطلاء.

التكلس والأشكال الجرافيتيزالية/الجرافيتيزة من الكربون

يحتوي الأنثراسيت المتكلس على مجموعة واسعة من الاستخدامات عبر مسبك، والتطبيقات الحرارية وإنتاج المعادن (23،24) - والتكلس ضروري لاستخدام الأنثراسيت كقطب كهربائي. علاج الجمرة الخبيثة سحقت / مسحوق / طحن وغالبا ما تكون العملية الأولى في إنتاج anthracite الأنسب لتطبيقات تخزين الطاقة الكهربائية مثل البطاريات.

يقلل التكلس من المقاومة الكهربائية للمادة ويزيل المركبات العضوية المتطايرة المتبقية. غير المتكلسة، كما الملغومة، anthracite هو عازل كهربائي. يظهر الانثراسيت الذي تم تكلسه في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 900 درجة مئوية دفعة كبيرة لموصلاته الكهربائية ، مع مقاومة 1000 ميكرون فقط عند 1300 درجة مئوية (25).

يشير الكربون الجرافيتي إلى شكل من أشكال الكربون الذي تم تسخينه إلى درجة معينة يأخذ على خصائص الجرافيت ، عن طريق تشكيل بنية جزيئية تشبه الجرافيت. الجرافيت هو موصل كهربائي متفوقة، وبالتالي إذا كان يمكن للمرء أن تحمل خصائص تشبه الجرافيت لمواد رخيصة ومتاحة على نطاق واسع مثل الجمرة الخبيثة، سيتم تحقيق موصل كهربائي عالية الأداء. يحدث الجرافيتسين الكامل عادة عندما يتم تسخين مادة كربونية صلبة تتجاوز 2000 درجة مئوية ، مع الجرافيتس جزئيا في مادة تحدث من حوالي 1400 درجة مئوية فصاعدا. يمكن أن يوفر التكلس درجات حرارة كهذه، خاصة في الطرف السفلي(26).

الكربون

موجز

  • الجمرة الخبيثة هي واحدة من أنقى الأشكال وأكثرها توافرا من الفحم
  • كثافتها المثلى، صلابة وبنية الكربون جعلها مفيدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات
  • يستخدم الأنثراسيت المطحون كحشو في الطلاء البلاستيكي / المطاط الصلب والحاويات والأغلفة للبطاريات عالية الأداء
  • يمكن استخدام الأنثراسيت المتكلس ككواد للبطاريات عالية التقنية
وعاء مملوء بالأنثراسيت مطحون

مراجع

1 C. سونغ و H. H. شوبرت, وقود, 1996, 75, 724

2 S. Pusz وآخرون., Int. J. الفحم Geol., 2003, 113, 157

3 G. Wypych، الحشو الوظيفي: التركيب الكيميائي، مورفولوجيا، الأداء، التطبيقات،إلسفير، أمستردام، 2018

4 J.M. Peyneau، تصميم بطانات وعاء موثوقة للغاية، في: أ. تومسيت وجي جونسون (eds)، قراءات أساسية في المعادن الخفيفة،سبرينغر، كامبريدج، 2016

5 رابوبورت وسامويلينكو، تسفيتني ميتاللي، 1957، 2، 44 (باللغة الروسية)

6 U. Szeluga وآخرون, يؤلف. الجزء أ: أبيل. الخيال العلمي. (مانوف), 2015, 73, 204

7 و. س. بلاشكي (ed.)، اتجاهات جديدة في تكنولوجيات ومعدات إعداد الفحم،تايلور وفرانسيس، أبينغدون، المملكة المتحدة، 1995

8 أ. ك. بووميك، تكنولوجيا تصنيع منتجات المطاط، مطبعةلجنة حقوق الطفل، بوكا راتون، الولايات المتحدة الأمريكية، 1994

9 براءات الاختراع US2638456A، 1949 (انتهت صلاحيتها)، US3400096A، 1963 (منتهية الصلاحية)

10 ج. تان وآخرون، (ج. آبل) بوليم. الخيال العلمي., 2019, 136, 48203

11 Y. تشانغ وآخرون. (تشيم) الجديدة الام., 2013, 41, 3

12 س. تشو وآخرون، ج. بوليم. القرار., 2010, 17, 621

13 س. رودريغيز وآخرون، الباحث. ج. كول جيول., 2012, 94, 191

14 ج. روكرول وآخرون، بيور آبل. الكيمياء., 1994, 66, 1739

15 ن. ديشوفكسي وآخرون، الام. القرار., 2017, 20, 1211

16 ح. د. لوغينزلاند وآخرون، يؤلف. الجزء أ: أبيل. الخيال العلمي. (مانوف), 2005, 36, 449

17 ه. ه. شوبرت، عملية الوقود. التكنولوجيا., 2004, 85, 1373

18 P. R. لويس (ed.) ، هندسة البوليمر الشرعي: لماذا تفشل منتجات البوليمر في الخدمة، إد الثاني ، وودهيد ، كامبريدج ، 2016

19 إ. بيلوتي وآخرون، يؤلف. الخيال العلمي. التكنولوجيا., 2013, 74, 85

20 Y. Yu وآخرون, J. سبائك المركبات, 2019, 779, 202

21 Q. Zhang وآخرون, eTransportation, 2019, 2, 100033

22 س. يان اخرون. ظ. الام., 2015, 27, 6670

23 س. جي وآخرون، ميتالورغ. الام. عبر. ب، 1968، 20. 67

24 براءة اختراع أمريكي US9695088B2, 2010

25 I. V. سوروتسيفا وآخرون, فحم الكوك وChem., 2012, 55, 231

26 V. I. لاكومسكي, فحم الكوك والكيمياء, 2012, 55, 266