Antracita para la producción de baterías: carcasas y ánodos

Antracita El Material


La antracita
es una de las formas de carbón más puras y valoradas. Como material carbonoso que ha estado millones de años en la fabricación, su alta densidad de energía lo lleva a ser el tipo preferido de carbón para aplicaciones de generación de energía. Aparte de
otras aplicaciones de gran alcance
en
refractarios
y la fabricación directa de productos básicos y productos químicos de laboratorio(1), la antracita encuentra usos esenciales como componentes vitales en las tecnologías de baterías tradicionales y contemporáneas. La estructura interna de la antracita está compuesta por láminas similares al grafeno, formando paquetes con orientaciones claramente definidas(2). En todas las aplicaciones, la pureza de la antracita directamente del suelo, la amplia disponibilidad y el bajo precio la convierten en un material atractivo para usar.

antracita calcinada en una pila

densidad

La densidad es el azote continuo del fabricante de baterías moderno. Las baterías pesadas significan una menor densidad de energía general dado un estado de carga constante. Como tal, se destinan materiales de baja densidad como rellenos para la fabricación de carcasas/electrodos. La antracita tiene una densidad de 1,3 a 1,8 g/cm3,que es menor que el negro de carbón y menos de la mitad de la del óxido de aluminio, por lo que es una buena opción incluso antes de considerar otras ventajas(3). La utilización de antracita de baja densidad puede reducir sustancialmente el peso de la batería, en comparación con una densidad media en todos los rellenos comunes de 2,6 a 2,9 g/cm3.

conductividad

Para cualquier aplicación que implique el almacenamiento de energía eléctrica, es crucial determinar la conductividad y la resistividad de la antracita. Naturalmente, la conductividad puede variar en función de la temperatura, pero las celdas de batería son sistemas cerrados por lo que, a todos los efectos, una vez selladas dentro de una celda, la conductividad de un material en particular permanecerá constante. Una consideración importante, también, para los recubrimientos / carcasas es si el cortocircuito es una posibilidad. La antracita en forma no tratada es un conductor eléctrico pobre, lo que la hace adecuada para carcasas con poco o ningún procesamiento aparte de la molienda(4). Para aplicaciones de electrodos, se requiere calcinación (y por lo tanto grafitisción posterior) para mejorar la conductividad eléctrica. Fenómenos como el efecto Rapoport son considerados como no-problemas para esas aplicaciones(5).

Dureza/trabajabilidad

Fuertemente relacionada con la dureza está la idea de trabajabilidad, como en si un producto puede ser mecanizado/fresado en un material utilizable(6). En general, la antracita no se considera un material "duro", con una dureza mohs en la región de 2-3, en comparación con el diamante en 10. La antracita - antes y después de la calcinación / grafiización - se trabaja fácilmente con. La antracita ha reducido los niveles de hidrofobicidad en comparación con algunas formas de carbono(7).

agrícola-copperoxy
agrícola-calsulfura

Aplicaciones en carcasas

Tal vez contraintuitivamente, la antracita se ha utilizado en las carcasas de las baterías como un componente de relleno vital en la formación de ciertos tipos de caucho sintético. El caucho -y plásticos similares- se han utilizado durante mucho tiempo para la contención de baterías de plomo ácido utilizadas en los sectores de la automoción y la aviación. Estas celdas recargables de alta capacidad requieren carcasas de larga duración y relativamente duras(8). Un elemento de fragilidad en tales aplicaciones puede ser tolerado ya que las baterías en sí tienden a estar bien soportadas, no son portadoras de carga y tienen poca o ninguna fuerza mecánica ejercida sobre ellas. La antracita es un material adecuado ya que es eléctricamente resistiva, además de proporcionar muchos otros beneficios.

Caucho y plásticos

El caucho se compone de isopreno polimerizado procedente del látex de Hevea brasiliensis,mientras que el caucho sintético utiliza un isopreno hecho por el hombre obtenido a partir de productos derivados del petróleo. Los agentes de carga, conocidos como rellenos, se utilizan comúnmente para hacer que el caucho vaya más allá, agregar propiedades únicas y ayudar en la fabricación.

La antracita molida es una opción popular de relleno debido a su fácil trabajabilidad y bajo costo, mientras que está en gran parte libre de contaminantes en la fuente- la antracita es la forma más pura de carbón. La antracita molida se añade a la fabricación de caucho en cantidades de hasta el 80% en peso. Tales adiciones no solo hacen que el nuevo material tenga una coloración negra, sino que garantizan un peso bajo debido a la baja densidad de la antracita. La antracita ha sido utilizada como relleno efectivo en caucho/plásticos duros desde al menos principios de la década de 1940(9).

El impacto de la antracita en el caucho

Aparte de los efectos a granel de actuar como relleno, es decir, proporcionar la mayor parte del tamaño físico de la sustancia, el uso de antracita como relleno para el caucho causa un aumento notable en la resistencia a la tracción en una variedad de cauchos. La investigación ha demostrado que en cauchos sintéticos de tipo estireno-butadieno, antracita molida a un tamaño de partícula de ca. 3 μm utilizados a una cantidad de 30% en peso proporcionaban una goma con resistencias a la tracción un 15% mayores que cuando el negro de carbón había sido utilizado como relleno(10). Los autores señalan, sin embargo, que la fuerza aumenta con una mayor carga de antracita hasta cierto punto: la fragilidad se hace notable en los niveles más altos de antracita.

Un beneficio notable del uso de antracita como relleno para caucho y termoplásticos similares es el aumento de la estabilidad térmica del material terminado, resultante de una generación in situ de un compuesto de material polímero-carbonoso (11). La estabilidad térmica en el caucho / plástico terminado es de particular utilidad para los materiales utilizados para las carcasas de las baterías, ya que las baterías a menudo se encuentran en entornos cálidos, como en la bahía del motor de un automóvil, por lo que la resistencia a largo plazo a la temperatura se valora para la duración continua de la batería sin fugas. En comparación con otros tipos de carbón más bajos, la antracita se muele mucho más fácilmente a los tamaños de partícula ultrafinos requeridos(12) y goza de una estructura física similar al grafito(13), por lo tanto, requiere poco procesamiento antes de su uso.

La formación de caucho utilizando altas proporciones de material carbonoso, como los rellenos de antracita, conduce a un grado de formación de poros, pero estos no son penetrantes a través del material a granel, y a menudo tienen tamaños de poro menores de 2 nm (14) y, por lo tanto, no se reconoce como un problema. De hecho, tales nano/microporos son ventajosos; el caucho está formado por un proceso conocido como vulcanización, y los elastómeros formados por vulcanización llenan los poros(15).

Cuando se forman compuestos como el caucho, la tensión de tracción es reducida por las cadenas moleculares del caucho/plástico 'deslizándose' sobre la antracita molida cuando se pone bajo tensión externa - tal 'deslizamiento' reduce los impactos estresantes generales y por lo tanto se puede decir que refuerza la estructura(16). Se divulga que la antracita molida tiene una interacción obligatoria más fuerte con las moléculas de goma que otros materiales carbonáceos.

Consideraciones en las aplicaciones

El tamaño típico de molienda de antracita para caucho es de 325 mallas (44 μm)(17). Crucial para la longevidad de la vida útil - especialmente en los sectores de la automoción - es el uso de carbono de la más alta calidad para la producción de envases de baterías de caucho / plástico. La antracita se reconoce como tal material, y proporciona propiedades de resistencia a la carcasa general. A pesar de esto, las baterías con carcasas de carbono-caucho/plástico deben estar aseguradas por más de un punto de montaje para evitar tensiones indebidas(18), si es probable que se produzcan tensiones, especialmente con un alto contenido de carbono superior al 75%. Se postula que la conductividad eléctrica en las carcasas de caucho es aumentada a través de la inclusión de rellenos secundarios como la arcilla, por lo que estos deben ser evitados(19).

Antracita de extracción con disolvente
ironpyrite

Aplicaciones en ánodos

Un uso de rápido crecimiento para la antracita molida y molida es en la producción de ánodos de alto rendimiento y bajo peso para sistemas de baterías modernos. Basándose en la antracita altamente conductora (lograda por calcinación y grafiización, ver más abajo), las tecnologías emergentes utilizan el material frecuentemente como ánodos en celdas de iones de litio premium(20), a través de baterías de vehículos eléctricos(21) y células de sodio-vanadio-fosfato de alta gama(22) que afirman permitir mayores niveles de densidad de energía y capacidades de carga rápida. Tales variedades de uso dependen de la estructura molecular claramente definida de la antracita, su baja densidad, por lo tanto, su peso más ligero, y su baja resistencia eléctrica cuando se calcina. La antracita calcinada se puede utilizar como parte del electrodo - a menudo como más del 50% de la masa del electrodo - o como recubrimiento.

Calcinación y formas de carbono grafotibles/grafotibles

La antracita calcinada tiene una amplia gama de usos en las aplicaciones de fundición, refractarios y producción de metales(23,24) - y la calcinación es esencial para que la antracita sea utilizada como electrodo. El tratamiento de la antracita triturada/en polvo/molida es a menudo el primer proceso en la producción de antracita más adecuado para aplicaciones de almacenamiento de energía eléctrica como las baterías.

La calcinación disminuye la resistencia eléctrica del material y elimina los compuestos orgánicos volátiles residuales. La antracita no calcinada, tal como se extrae, es un aislante eléctrico. La antracita que ha sido calcinada a temperaturas tan bajas como 900 °C muestra un impulso sustancial a su conductividad eléctrica, con una resistividad de solo 1.000 μΩ a 1.300 °C(25).

El carbono grafitisado se refiere a una forma de carbono que se ha calentado hasta cierto punto en el que adquiere las propiedades del grafito, a través de la formación de una estructura molecular similar al grafito. El grafito es un conductor eléctrico superior, y por lo tanto si uno puede permitirse propiedades similares al grafito a un material barato y ampliamente disponible como la antracita, se realizará un conductor eléctrico de alto rendimiento. La grafitisación completa ocurre típicamente cuando un material carbonoso sólido se calienta más allá de 2.000 °C, con la grafitisación parcial en un material que ocurre a partir de alrededor de 1.400 °C en adelante. La calcinación puede proporcionar tales temperaturas, particularmente en el extremo inferior(26).

Carbono

Consultoría de óxido de manganeso

  • La antracita es una de las formas de carbón más puras y ampliamente disponibles
  • Su densidad óptima, dureza y estructura de carbono lo hacen útil para una variedad de aplicaciones
  • La antracita molida se utiliza como relleno en recubrimientos de plástico / caucho duro, contenedores y carcasas para baterías de alto rendimiento
  • La antracita calcinada se puede utilizar como ánodo para baterías de alta tecnología
Olla llena de antracita molida

Referencias

1 C. Song y H. H. Schobert, Fuel, 1996, 75, 724

2 S. Pusz y otros., Int. J. Carbón Geol., 2003, 113, 157

3 G. Wypych, Functional Fillers: Chemical Composition, Morphology, Performance, Applications, Elsevier, Ámsterdam, 2018

4 J.M. Peyneau, Design of Highly Reliable Pot Linings, en: A. Tomsett y J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

5 Rapoport y Samoilenko, Tsvetnye Metally, 1957, 2, 44 (en ruso)

6 U. Szeluga y otros, Compos. Parte A: Appl. Sci. Fabricante., 2015, 73, 204

7 W. S. Blaschke (ed.), New Trends in Coal Preparation Technologies and Equipment,Taylor and Francis, Abingdon, Reino Unido, 1995

8 A. K. Bhowmick, Rubber Products Manufacturing Technology,CRC Press, Boca Raton, Estados Unidos, 1994

9 Patentes estadounidenses US2638456A, 1949 (caducado), US3400096A, 1963 (caducado)

10 J. Tan y otros, J. Appl. El polimo. Sci., 2019, 136, 48203

11 Y. Zhang y otros, Nueva Química. Mater., 2013, 41, 3

12 X. Zhu y otros, J. Polym. Res., 2010, 17, 621

13 S. Rodríguez y otros, Int. J. Coal Geol., 2012, 94, 191

14 J. Rouquerol y otros, Puro Appl. Chem., 1994, 66, 1739

15 N. Dishovksi et al., Mater. Res., 2017, 20, 1211

16 H. D. Luginsland y otros, Compos. Parte A: Appl. Sci. Fabricante., 2005, 36, 449

17 H. H. Schobert, Proceso de combustible. Tecnología., 2004, 85, 1373

18 P. R. Lewis (ed.), Forensic Polymer Engineering: Why Polymer Products Fail in Service, 2nd ed, Woodhead, Cambridge, 2016

19 E. Bilotti y otros, Compos. Sci. Tecnología., 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., Metalurgia. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67

24 Patente de EE.UU. US9695088B2, 2010

25 I. V. Surotseva et al., Coca-Cola y Química, 2012, 55, 231

26 V. I. Lakomskii, Coca-Cola y Química, 2012, 55, 266