Anthracite pour la production de batteries: boîtiers et anodes
Anthracite Le matériel
L’anthracite
est l’une des formes de charbon les plus pures et les plus appréciées. En tant que matériau carboné qui a été des millions d’années dans la fabrication, sa densité d’énergie élevée en fait le type de charbon préféré pour les applications de production d’électricité. Outre
d’autres applications de grande envergure
dans les
réfractaires
et la fabrication directe de produits chimiques de base et de laboratoire(1), l’anthracite trouve des utilisations essentielles en tant que composants essentiels dans les technologies de batteries traditionnelles et contemporaines. La structure interne de l’anthracite est composée de feuilles de type graphène, formant des paquets avec des orientations clairement définies(2). Dans toutes les applications, la pureté de l’anthracite tout droit sortie du sol, sa grande disponibilité et son prix bas en font un matériau attrayant à utiliser.
densité
La densité est le fléau permanent du fabricant de batteries moderne. Les batteries lourdes signifient une densité d’énergie globale plus faible compte tenu d’un état de charge constant. À ce titre, les matériaux à faible densité comme charges pour la fabrication de boîtiers/électrodes sont ciblés. L’anthracite a une densité de 1,3 à1,8 g/cm3 , ce qui est inférieur au noir de carbone et inférieur à la moitié de celui de l’oxyde d’aluminium , ce qui en fait un bon choix avant même d’envisager d’autres avantages(3). L’utilisation d’anthracite de faible densité peut réduire considérablement le poids de la batterie, par rapport à une densité moyenne pour toutes les charges communes de 2,6 à 2,9 g/cm3.
conductivité
Pour toute application impliquant le stockage de l’énergie électrique, il est crucial de vérifier la conductivité et la résistivité de l’anthracite. Naturellement, la conductivité peut varier en fonction de la température, mais les cellules de batterie sont des systèmes fermés, de sorte qu’à toutes fins utiles, une fois scellées dans une conductivité cellulaire d’un matériau particulier, elles resteront constantes. Une considération importante, aussi, pour les revêtements / boîtiers est de savoir si le court-circuit est une possibilité. L’anthracite sous forme non traitée est un mauvais conducteur électrique, ce qui le rend adapté aux enveloppes avec peu ou pas de traitement en dehors du broyage(4). Pour les applications d’électrodes, la calcination (et donc la graphitisation ultérieure) est nécessaire pour améliorer la conductivité électrique. Des phénomènes tels que l’effet Rapoport sont considérés comme des non-problèmes pour ces applications(5).
Dureté/travailabilité
L’idée de la rusticité est fortement liée à la rusticité, comme dans la question de savoir si un produit peut être usiné/broyé en un matériau utilisable(6). Dans l’ensemble, l’anthracite n’est pas considéré comme un matériau «dur», avec une dureté mohs de l’ouest de l’espace de 2-3, par rapport au diamant à 10. L’anthracite - avant et après la calcination/graphitisation - est facilement travaillée. L’anthracite présente des niveaux d’hydrophobicité réduits par rapport à certaines formes de carbone(7).
Applications dans les boîtiers
Peut-être de manière contre-intuitive, l’anthracite a été utilisé dans les boîtiers de batterie comme composant de remplissage vital dans la formation de certains types de caoutchouc synthétique. Le caoutchouc - et les plastiques similaires - sont utilisés depuis longtemps pour le confinement des batteries de type acide de plomb utilisées dans les secteurs de l’automobile et de l’aviation. Ces cellules rechargeables de grande capacité nécessitent des enveloppes durables et relativement dures(8). Un élément de fragilité dans de telles applications peut être toléré car les batteries elles-mêmes ont tendance à être bien supportées, à ne pas être porteuses et à avoir peu ou pas de forces mécaniques exercées sur elles. L’anthracite est un matériau approprié car il est électriquement résistif, en plus de fournir de nombreux autres avantages.
Caoutchouc et plastiques
Le caoutchouc est composé d’isoprène polymérisé provenant du latex de Hevea brasiliensis,tandis que le caoutchouc synthétique utilise un isoprène fabriqué par l’homme obtenu à partir de produits pétroliers. Les agents gonflants, connus sous le nom de charges, sont couramment utilisés pour faire en sorte que le caoutchouc aille plus loin, ajoute des propriétés uniques et aide à la fabrication.
L’anthracite moulu est un choix populaire de charge en raison de sa facilité de travail et de son faible coût, tout en étant largement exempt de contaminants à la source - l’anthracite étant la forme la plus pure de charbon. L’anthracite broyé est ajouté à la fabrication du caoutchouc en quantités allant jusqu’à 80% en poids. De tels ajouts non seulement rendent le nouveau matériau dans une coloration noire, mais assurent un faible poids en raison de la faible densité de l’anthracite. L’anthracite est utilisé comme charge efficace dans le caoutchouc dur et les plastiques depuis au moins le début des années 1940(9).
L’impact de l’anthracite sur le caoutchouc
Mis à part les effets en vrac de l’action en tant que charge, c’est-à-dire fournir la majeure partie de la taille physique de la substance, l’utilisation de l’anthracite comme charge pour le caoutchouc provoque une augmentation notable de la résistance à la traction dans une variété de caoutchoucs. La recherche a montré que dans les caoutchoucs synthétiques de type styrène-butadiène, l’anthracite broyé à une taille de particule de ca. 3 μm utilisés à une quantité de 30 % en poids ont permis d’obtenir un caoutchouc dont la résistance à la traction était supérieure d’environ 15 % à celle utilisée lorsque du noir de carbone avait été utilisé comme charge(10). Les auteurs notent, cependant, que la force augmente avec une charge plus importante d’anthracite dans une certaine mesure - la fragilité devient perceptible aux niveaux les plus élevés d’anthracite.
Un avantage notable de l’utilisation de l’anthracite comme charge pour le caoutchouc et les thermoplastiques similaires est la stabilité thermique accrue du matériau fini, résultant d’une génération in situ d’un composite polymère-matériau carboné (11). La stabilité thermique dans le caoutchouc / plastique fini est particulièrement utile pour les matériaux utilisés pour les boîtiers de batterie car les batteries se trouvent souvent dans des environnements chauds, tels que dans le compartiment moteur d’une automobile, et donc la résistance à long terme à la température est appréciée pour la durée de vie continue de la batterie sans fuites. Par rapport à d’autres types de charbon - inférieurs -, l’anthracite est beaucoup plus facilement broyé selon les tailles de particules ultrafines requises(12) et bénéficie d’une structure physique similaire au graphite(13), ce qui nécessite peu de traitement avant utilisation.
La formation de caoutchouc à l’aide de proportions élevées de matériaux carbonés tels que les charges anthracites entraîne un certain degré de formation de pores, mais ceux-ci ne sont pas pénétrants à travers le matériau en vrac et ont souvent des pores de taille inférieure à 2 nm(14) et ne sont donc pas reconnus comme un problème. En fait, de tels nano/micropores sont avantageux ; le caoutchouc est formé par un processus connu sous le nom de vulcanisation, et les élastomères formés par vulcanisation remplissent les pores(15).
Lors de la formation de composites comme le caoutchouc, la contrainte de traction est réduite par les chaînes moléculaires du caoutchouc/plastique qui «glissent» sur l’anthracite fraisé lorsqu’elles sont mises sous contrainte externe - un tel «glissement» réduit les impacts stressants globaux et peut donc être considéré comme renforçant la structure(16). On rapporte que l’anthracite broyé a une interaction de liaison plus forte avec des molécules de caoutchouc que d’autres matériaux carbonés.
Considérations dans les demandes
La taille de broyage typique de l’anthracite pour le caoutchouc est de 325 mailles (44 μm)(17). L’utilisation de carbone de la plus haute qualité pour la production de récipients de batterie en caoutchouc / plastique est cruciale pour la longévité de la durée de vie - en particulier dans les secteurs de l’automobile. L’anthracite est reconnu comme un tel matériau et confère des propriétés de résistance à l’enveloppe globale. Néanmoins, les batteries équipées d’enveloppes en caoutchouc de carbone/plastique devraient être fixées par plus d’un point de montage afin d’éviter des contraintes excessives(18), si des contraintes sont susceptibles de se produire, en particulier avec des teneurs élevées en carbone supérieures à 75 %. On postule que la conductivité électrique dans les enveloppes en caoutchouc est augmentée par l’inclusion de charges secondaires telles que l’argile, et donc celles-ci devraient être évitées(19).
Applications dans les anodes
Une utilisation croissante pour l’anthracite broyé et broyé est dans la production d’anodes haute performance et de faible poids pour les systèmes de batterie modernes. S’appuyant sur l’anthracite hautement conducteur (obtenue par calcination et graphitisation, voir ci-dessous), les technologies émergentes utilisent fréquemment le matériau comme anodes dans les cellules lithium-ion de qualité supérieure(20), jusqu’aux batteries de véhicules électriques(21) et aux cellules sodium-vanadium-phosphate haut de gamme(22) qui prétendent offrir des niveaux accrus de densité d’énergie et des capacités de charge rapide. De telles variétés d’utilisation dépendent de la structure moléculaire clairement définie de l’anthracite, de sa faible densité donc de son poids plus léger, et de sa faible résistance électrique lorsqu’elle est calcinée. L’anthracite calciné peut être utilisé dans le cadre de l’électrode - souvent plus de 50% de la masse de l’électrode - ou comme revêtement.
Calcination et formes graphitisées/graphitizables de carbone
L’anthracite calciné a un large éventail d’utilisations dans les applications de fonderie, de réfractaire et de production de métaux(23,24) - et la calcination est essentielle pour que l’anthracite soit utilisé comme électrode. Le traitement de l’anthracite broyé/pulvérisé/broyé est souvent le premier processus de production d’anthracite le mieux adapté aux applications de stockage d’énergie électrique telles que les batteries.
La calcination diminue la résistance électrique du matériau et élimine les composés organiques volatils résiduels. L’anthracite non calciné, extrait, est un isolant électrique. L’anthracite qui a été calciné à des températures aussi basses que 900 °C montre une augmentation substantielle de sa conductivité électrique, avec une résistivité de seulement 1 000 μΩ à 1 300 °C(25).
Le carbone graphisé fait référence à une forme de carbone qui a été chauffée dans une certaine mesure sur laquelle il prend les propriétés du graphite, via la formation d’une structure moléculaire semblable à un graphite. Le graphite est un conducteur électrique supérieur, et donc si l’on peut se permettre des propriétés de type graphite à un matériau bon marché et largement disponible tel que l’anthracite, un conducteur électrique très performant sera réalisé. La graphitisation complète se produit généralement lorsqu’un matériau carboné solide est chauffé au-delà de 2 000 °C, avec une graphitisation partielle dans un matériau se produisant à partir d’environ 1 400 °C. La calcination peut fournir de telles températures, en particulier à l’extrémité inférieure(26).
Résumé
- L’anthracite est l’une des formes de charbon les plus pures et les plus largement disponibles
- Sa densité optimale, sa dureté et sa structure en carbone le rendent utile pour une variété d’applications
- L’anthracite broyé est utilisé comme charge dans les revêtements, les contenants et les boîtiers en plastique/caoutchouc dur pour les batteries à haute performance.
- L’anthracite calciné peut être utilisé comme anodes pour les batteries de haute technologie
Références
1 C. Song et H. H. Schobert, Fuel, 1996,p. 75, 724
2 S. Pusz et al.,Int. J. Coal Geol., 2003, 113,157
3 G. Wypych, Charges fonctionnelles: composition chimique, morphologie, performance, applications, Elsevier, Amsterdam, 2018
4 J.M. Peyneau, Design of Highly Reliable Pot Linings, in: A. Tomsett and J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016
5 Rapoport et Samoilenko, Tsvetnye Metally, 1957, 2, 44 (en russe)
6 U. Szeluga et al., Composer. Partie A: Appl. Sci. Manuf, c’est lui., 2015, 73, 204
7 W. S. Blaschke (ed.), New Trends in Coal Preparation Technologies and Equipment, Taylor et Francis, Abingdon, Royaume-Uni, 1995
8 A. K. Bhowmick, Rubber Products Manufacturing Technology,CRC Press, Boca Raton, États-Unis, 1994
9 Brevets américains US2638456A, 1949 (expiré), US3400096A, 1963 (expiré)
10 J. Tan et al., J. Appl. Le polym. Sci., 2019, 136, 48203
11 Y. Zhang et al., Nouveau 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., Pure Appl. Chem., 1994, 66, 1739
15 N. Dishovksi et al., Mater. Res., 2017, 20, 1211
16 H. D. Luginsland et al., Composer. Partie A: Appl. Sci. Manuf, c’est lui., 2005, 36, 449
17 H. H. Schobert, Processus de carburant. Tech., 2004, 85, 1373
18 P. R. Lewis (éd.), Forensic Polymer Engineering: Why Polymer Products Fail in Service, 2e éd., Woodhead, Cambridge, 2016
19 E. Bilotti et al., Composer. Sci. Tech., 2013, 74, 85
20 Y. Yu et al., J. Composés d’alliage, 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 coll., Metallurg. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67
24 Brevet américain US9695088B2, 2010
25 I. V. Surotseva et al., Coke et Chem., 2012, 55, 231
26 V. I. Lakomskii, Coke et chimie, 2012, 55, 266
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