Anthrazit für die Produktion von Batterien: Gehäuse und Anoden
Anthrazit Das Material
Anthrazit
ist eine der reinsten und hoch geschätzten Formen der Kohle. Als kohlenstoffhaltiges Material, das seit Millionen von Jahren in der Herstellung ist, führt seine hohe Energiedichte dazu, dass es die bevorzugte Kohlesorte für Stromerzeugungsanwendungen ist. Neben
anderen vielfältigen Anwendungen
in
Feuerfeststoffen
und der direkten Herstellung von Rohstoff- und Laborchemikalien(1) findet Anthrazit wesentliche Verwendungszwecke als wichtige Komponenten sowohl in traditionellen als auch in modernen Batterietechnologien. Die innere Struktur von Anthrazit besteht aus graphenähnlichen Blättern, die Pakete mit klar definierten Ausrichtungen bilden(2). Die Reinheit von Anthrazit ist in allen Anwendungen direkt aus dem Boden, die große Verfügbarkeit und der niedrige Preis ein attraktives Material für den Einsatz.
Dichte
Dichte ist die anhaltende Geißel des modernen Batterieherstellers. Schwere Batterien bedeuten eine geringere Gesamtenergiedichte bei konstantem Ladezustand. Als solche werden Materialien mit geringer Dichte als Füllstoffe für die Herstellung von Gehäusen/Elektroden ins Visier genommen. Anthrazit hat eine Dichte von 1,3 bis 1,8 g/cm3, was weniger als Ruß und weniger als die Hälfte der Von-Aluminiumoxid ist - was es eine gute Wahl macht, noch bevor andere Vorteile in Betracht gezogen werden(3). Die Verwendung von Anthrazit mit geringer Dichte kann das Batteriegewicht erheblich senken, verglichen mit einer durchschnittlichen Dichte über alle gängigen Füllstoffe von 2,6 bis 2,9 g/cm3.
Leitfähigkeit
Für jede Anwendung, die die Speicherung von elektrischer Energie beinhaltet, ist es entscheidend, Leitfähigkeit und Widerstand für Anthrazit zu ermitteln. Natürlich kann die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur variieren, aber Batteriezellen sind geschlossene Systeme, so dass für alle Zwecke und Zwecke, einmal innerhalb einer Zellleitfähigkeit eines bestimmten Materials versiegelt wird konstant bleiben. Ein wichtiger Aspekt bei Beschichtungen/Gehäusen ist auch, ob Kurzschluss möglich ist. Anthrazit in unbehandelter Form ist ein schlechter elektrischer Leiter, der es für Gehäuse mit wenig bis gar keiner Verarbeitung außer Schleifen geeignet macht(4). Für Elektrodenanwendungen ist die Kalzinierung (und damit die anschließende Graphitisierung) erforderlich, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Phänomene wie der Rapoport-Effekt werden für diese Anwendungen als Nicht-Themen betrachtet(5).
Härte/Durchführbarkeit
Stark mit Härte verbunden ist die Idee der Verarbeitbarkeit, wie bei der Frage, ob ein Produkt zu einem verwendbaren Material bearbeitet/gefräst werden kann(6). Insgesamt wird Anthrazit nicht als "hartes" Material angesehen, mit einer Mohshärte im Bereich von 2-3, verglichen mit Diamant bei 10. Anthrazit - vor und nach der Kalzinierung/Graphitisierung - ist leicht zu bedienen. Anthrazit hat im Vergleich zu einigen Kohlenstoffformen einen reduzierten Hydrophobizitätsgehalt(7).
Anwendungen in Gehäusen
Vielleicht kontraintuitiv, Anthrazit wurde in Batteriegehäusen als lebenswichtige Füllstoffkomponente bei der Bildung bestimmter Arten von synthetischem Kautschuk verwendet. Gummi - und ähnliche Kunststoffe - werden seit langem für die Eindämmung von Bleisäurebatterien verwendet, die in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet werden. Eine derart hohe Kapazität, wiederaufladbare Zellen erfordern Gehäuse, die langlebig und relativ hart sind(8). Ein Element der Sprödigkeit in solchen Anwendungen kann toleriert werden, da die Batterien selbst in der Regel gut gestützt sind, nicht tragend sind und wenig bis gar keine mechanischen Kräfte auf sie ausüben. Anthrazit ist ein geeignetes Material, da es elektrisch widerständig ist, zusätzlich zu vielen anderen Vorteilen.
Gummi und Kunststoffe
Kautschuk besteht aus polymerisiertem Isopren aus dem Latex von Hevea brasiliensis, während synthetischer Kautschuk ein von Menschenhand hergestelltes Isopren verwendet, das aus Erdölerzeugnissen gewonnen wird. Füllstoffe, die als Füllstoffe bekannt sind, werden häufig verwendet, um Gummi weiter zu machen, einzigartige Eigenschaften hinzuzufügen und bei der Herstellung zu helfen.
Bodenanthrazit ist eine beliebte Wahl von Füllstoff aufgrund seiner einfachen Verarbeitbarkeit und niedrigen Kosten, während weitgehend schadstofffrei an der Quelle - Anthrazit ist die reinste Form von Kohle. Gefrästes Anthrazit wird der Gummiherstellung in Mengen von bis zu 80 Gewichtsprozent zugesetzt. Solche Zusätze machen das neue Material nicht nur in einer schwarzen Färbung, sondern sorgen wegen der geringen Dichte von Anthrazit für ein geringes Gewicht. Anthrazit wird seit mindestens den frühen 1940er Jahren als wirksamer Füllstoff in Hartkautschuk/Kunststoffen eingesetzt(9).
Der Einfluss von Anthrazit auf Gummi
Abgesehen von den massenhaften Effekten der Tätigkeit als Füllstoff, d.h. die Bereitstellung des größten Teils der physikalischen Größe der Substanz, die Verwendung von Anthrazit als Füllstoff für Gummi verursacht eine bemerkenswerte Erhöhung der Zugfestigkeiten in einer Vielzahl von Gummis. Die Forschung hat gezeigt, dass in Styrol-Butadien-Typ synthetische Kautschuke, gefräst Anthrazit bei einer Partikelgröße von ca. 3 m, die bei einer Gewichtsmenge von 30 % verwendet werden, ermöglichten einen Gummi mit Zugfestigkeiten, der etwa 15 % größer war als bei der Verwendung von Ruß als Füllstoff(10). Die Autoren stellen jedoch fest, dass die Festigkeit mit einer größeren anthrazitbelasteten Belastung in gewissem Maße zunimmt - Sprödigkeit macht sich auf den höchsten Anthrazitpegeln bemerkbar.
Ein bemerkenswerter Vorteil der Verwendung von Anthrazit als Füllstoff für Gummi und ähnliche Thermoplaste ist die erhöhte thermische Stabilität des fertigen Materials, die sich aus der In-situ-Erzeugung eines polymer-kohlenstoffhaltigen Materialverbunds (11) ergibt. Thermische Stabilität im fertigen Gummi/Kunststoff ist von besonderem Nutzen für Materialien, die für Batteriegehäuse verwendet werden, da die Batterien oft in warmen Umgebungen gefunden werden, wie z. B. im Motorraum eines Automobils, und so wird die langfristige Temperaturbeständigkeit für die laufende Batterielebensdauer ohne Leckagen geschätzt. Im Vergleich zu anderen - niedrigeren - Kohlearten lässt sich Anthrazit viel leichter auf die erforderlichen ultrafeinen Partikelgrößen (12) ausgefräst werden und verfügt über eine physikalische Struktur ähnlich Graphit(13), die daher vor der Verwendung wenig Verarbeitung erfordert.
Die Bildung von Kautschuk mit hohen Anteilen an kohlenstoffhaltigem Material wie Anthrazitfüllerführt führt zwar zu einem gewissen Grad an Porenbildung, aber diese sind nicht durch dringend entioniv durch das Schüttgut und haben oft Porengrößen kleiner als 2 nm(14) und werden daher nicht als Problem erkannt. In der Tat sind solche Nano/Mikroporen vorteilhaft; Gummi wird durch ein Verfahren gebildet, das als Vulkanisation bekannt ist, und die durch Vulkanisation gebildeten Elastomere füllen die Poren(15).
Beim Umformen von Verbundwerkstoffen wie Gummi wird die Zugspannung durch das "Gleiten" der Molekülketten des Gummis/Kunststoffs auf dem gefrästen Anthrazit reduziert, wenn es unter äußerer Belastung steht - ein solches "Gleiten" reduziert die allgemeinen Belastungsbelastungen und kann daher als Verstärkung der Struktur bezeichnet werden(16). Es wird berichtet, dass gefrästes Anthrazit eine stärkere Bindungsinteraktion mit Gummimolekülen hat als andere kohlenstoffhaltige Materialien.
Überlegungen in Anwendungen
Typische Schleifgröße für Anthrazit für Gummi ist 325 Mesh (44 m)(17). Entscheidend für die Langlebigkeit der Lebensdauer - insbesondere in der Automobilbranche - ist der Einsatz von Carbon höchster Qualität für die Herstellung von Gummi-/Kunststoff-Batteriebehältern. Anthrazit ist als solches Material anerkannt und bietet Festigkeitseigenschaften für das Gesamtgehäuse. Ungeachtet dessen sollten Batterien mit Kohlenstoff-Gummi-/Kunststoffgehäusen durch mehr als einen Montagepunkt gesichert werden, um übermäßige Belastungen zu vermeiden(18), wenn Spannungen auftreten können, insbesondere bei hohen Kohlenstoffgehalten von mehr als 75 %. Es wird postuliert, dass die elektrische Leitfähigkeit in Gummigehäusen durch die Einbeziehung von Sekundärfüllstoffen wie Ton erhöht wird, und daher sollten diese vermieden werden(19).
Anwendungen in Anodes
Ein schnell wachsender Einsatz für gemahlenes und gemahlenes Anthrazit ist die Herstellung von hochleistungsstarken, gewichtsarmen Anoden für moderne Batteriesysteme. Ausgehend von Anthrazit, das hochleitfähig ist (erreicht durch Kalzinierung und Graphitisierung, siehe unten), verwenden neue Technologien das Material häufig als Anoden in Premium-Lithium-Ionen-Zellen(20), bis hin zu Elektrofahrzeugbatterien(21) und High-End-Natrium-Vanadium-Phosphat-Zellen(22), die behaupten, eine verbesserte Energiedichte und schnelle Lademöglichkeiten zu bieten. Solche Verwendungskrümmer hängen von der klar definierten molekularen Struktur von Anthrazit, seiner geringen Dichte, also geringerem Gewicht, und seinem geringen elektrischen Widerstand bei der Kalzinierung ab. Kalziniertes Anthrazit kann als Teil der Elektrode - oft als mehr als 50% der Elektrodenmasse - oder als Beschichtung verwendet werden.
Kalzinierung und graphitisierte/graphisierbare Formen von Kohlenstoff
Kalziniertes Anthrazit hat eine breite Palette von Anwendungen in Gießerei-, Feuerfest- und Metallproduktionsanwendungen (23,24) - und die Kalzinierung ist für die Verwendung von Anthrazit als Elektrode unerlässlich. Die Behandlung von zerkleinertem/pulverisiertem/gefrästem Anthrazit ist oft das erste Verfahren zur Herstellung von Anthrazit, das sich am besten für elektrische Energiespeicheranwendungen wie Batterien eignet.
Die Kalzinierung verringert den elektrischen Widerstand des Materials und entfernt restliche flüchtige organische Verbindungen. Nicht kalziniert, as-mined, anthrazit ist ein elektrischer Isolator. Anthrazit, das bei Temperaturen von bis zu 900 °C kalziniert wurde, zeigt einen erheblichen Anstieg seiner elektrischen Leitfähigkeit, mit einem Widerstand von nur 1.000 °C bei 1.300 °C(25).
Graphitisierter Kohlenstoff bezieht sich auf eine Form von Kohlenstoff, die bis zu einem gewissen Grad erhitzt wurde, auf dem sie die Eigenschaften von Graphit über die Bildung einer graphitähnlichen molekülischen Struktur annimmt. Graphit ist ein überlegener elektrischer Leiter, und wenn man sich also graphitähnliche Eigenschaften zu einem billigen und weit verbreiteten Material wie Anthrazit leisten kann, wird ein leistungsstarker elektrischer Leiter realisiert. Eine vollständige Graphitisierung tritt typischerweise auf, wenn ein festes kohlenstoffhaltiges Material über 2.000 °C erhitzt wird, wobei die partielle Graphitisierung in einem Material ab etwa 1.400 °C auftritt. Die Kalzinierung kann solche Temperaturen liefern, insbesondere am unteren Ende(26).
Beratung von Manganoxid
- Anthrazit ist eine der reinsten und am weitesten verbreiteten Kohleformen
- Seine optimale Dichte, Härte und Kohlenstoffstruktur machen es nützlich für eine Vielzahl von Anwendungen
- Gefrästes Anthrazit wird als Füllstoff in Kunststoff-/Hartgummibeschichtungen, Behältern und Gehäusen für Hochleistungsbatterien verwendet
- Kalziniertes Anthrazit kann als Anoden für Hightech-Batterien verwendet werden
Verweise
1 C. Song und H. H. Schobert, Fuel, 1996, 75, 724
2 S. Pusz et al.,Int. J. Coal Geol., 2003, 113, 157
3 G. Wypych, Functional Fillers: Chemical Composition, Morphology, Performance, Applications, Elsevier, Amsterdam, 2018
4 J.M. Peyneau, Design of Highly Reliable Pot Linings, in: A. Tomsett und J. Johnson (Eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016
5 Rapoport und Samoilenko, Tsvetnye Metally, 1957, 2, 44 (auf Russisch)
6 U. Szeluga et al., Compos. Teil A: Appl. Sci. Manuf., 2015, 73, 204
7 W. S. Blaschke (Anm.d.M.), New Trends in Coal Preparation Technologies and Equipment, Taylor and Francis, Abingdon, Großbritannien, 1995
8 A. K. Bhowmick, Rubber Products Manufacturing Technology, CRC Press, Boca Raton, Vereinigte Staaten, 1994
9 US Patents US2638456A, 1949 (abgelaufen), US3400096A, 1963 (abgelaufen)
10 J. Tan et al., J. Appl. Polym. Sci., 2019, 136, 48203
11 Y. Zhang et al., Neue Chem. Mater., 2013, 41, 3
12 X. Zhu et al., J. Polym. Res., 2010, 17, 621
13 S. Rodriguez et al., Int. J. Coal Geol., 2012, 94, 191
14 J. Rouquerol et al., Reine Appl. Chem.Transportjahr 1994, 66, 1739
15 N. Dishovksi et al., Mater. Res., 2017, 20, 1211
16 H. D. Luginsland et al., Compos. Teil A: Appl. Sci. Manuf.Transport , 2005, 36, 449
17 H. H. Schobert, Kraftstoffprozess. Tech.Transport , 2004, 85, 1373
18 P. R. Lewis (Anm.), Forensic Polymer Engineering: Why Polymer Products Fail in Service, 2nd ed, Woodhead, Cambridge, 2016
19 E. Bilotti et al., Compos. Sci. Tech., 2013, 74, 85
20 Y. Yu et al., J. Alloy Compounds, 2019, 779, 202
21 Q. Zhang et al., eTransportation, 2019, 2, 100033
22 Q. Yan et al. Adv. Mater., 2015, 27, 6670
23 S. Ge et al., Metallurg. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67
24 US-Patent US9695088B2, 2010
25 I. V. Surotseva et al., Koks und Chem., 2012, 55, 231
26 V. I. Lakomskii, Koks und Chemie, 2012, 55, 266
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