Антрацит для производства батарей: оболочки и аноды
Антрацит Материал
Антрацит является
одной из самых чистых и высоко ценимых форм угля. Как углеродистый материал, который был миллионы лет в создании, его высокая плотность энергии приводит его к предпочтительным типом угля для производства электроэнергии приложений. Помимо других широко используемых в огнеупорных средствах и
непосредственного производства товарной и лабораторной химии (1), антрацит находит существенное
применение в качестве жизненно важных компонентов как в традиционных, так и в современных технологиях аккумуляторов. Внутренняя структура антрацита состоит из графеновых листов, образующих пакеты с четко определенными ориентациями(2). Во всех приложениях чистота антрацита прямо из земли, широкая доступность и низкая цена делают его привлекательным материалом для использования.
плотность
Плотность является постоянным бичом современного производителя аккумуляторов. Тяжелые батареи означают более низкую общую плотность энергии, учитывая постоянное состояние заряда. Таким образом, материалы низкой плотности в качестве наполнителей для изготовления корпусов/электродов являются целевыми. Антрацит имеет плотность от 1,3 до 1,8 г/см 3 , что меньше,чем черный углероди менее половины, что оксида алюминия - что делает его хорошим выбором еще до рассмотрения других преимуществ (3). Использование антрацита низкой плотности может существенно снизить вес батареи, по сравнению со средней плотностью во всех распространенных наполнителях от 2,6 до 2,9г/см 3.
проводимость
Для любого применения, связанного с хранением электрической энергии, крайне важно установить проводимость и резистивость антрацита. Естественно, проводимость может варьироваться в зависимости от температуры, но батареи являются закрытыми системами, поэтому для всех намерений и целей, после того, как запечатаны в клеточной проводимости конкретного материала будет оставаться постоянным. Важным соображением также для покрытий/корпусов является возможность короткого замыкания. Антрацит в необработанной форме является плохим электрическим проводником, что делает его пригодным для корпусов практически без обработки, кроме шлифования (4). Для применения электродов для повышения электрической проводимости требуется кальцинация (и, следовательно, последующая графитация). Такие явления, как эффект Рапопорта, рассматриваются как неосоуженные для этих приложений (5).
Твердость/работа
Сильно связана с твердостью идея работы, как и в том, продукт может быть обработать / milled в годный к эксплуатации материал (6). В целом, антрацит не рассматривается как "жесткий" материал, с твердостью Mohs в районе 2-3, по сравнению с алмазом на 10. С антрацитом - до и после кальцинации/графитации - легко работать. Антрацит снизил уровень гидрофобности по сравнению с некоторыми формами углерода (7).
Приложения в оболочках
Возможно, нелогичным является то, что антрацит используется в корпусах аккумуляторов в качестве жизненно важного компонента наполнителя при формировании определенных видов синтетического каучука. Резина - и аналогичные пластмассы - уже давно используются для сдерживания свинцово-кислотных батарей, используемых в автомобильной и авиационной отраслях. Такая высокая емкость, перезаряжаемые клетки требуют корпусов, которые являются длительными и относительно трудно (8). Элемент хрупкости в таких приложениях можно терпеть, так как сами батареи, как правило, хорошо поддерживаются, не являются подшипником нагрузки и практически не имеют механических сил, оказываемых на них. Антрацит является подходящим материалом, поскольку он электрически резистенцией, в дополнение к предоставлению многих других преимуществ.
Резина и пластмассы
Резина состоит из полимеризованного изопрена, полученного из латекса Hevea brasiliensis,в то время как синтетический каучук использует изопрен, полученный из нефтепродуктов. Массовые агенты, известные как наполнители, обычно используются, чтобы сделать резину идти дальше, добавить уникальные свойства и помочь в производстве.
Наземный антрацит является популярным выбором наполнителя из-за его легкой работы и низкой стоимости, будучи в значительной степени загрязняющих веществ бесплатно у источника - антрацит является чистейшей формой угля. Измельченный антрацит добавляется в производство каучука в количестве до 80% по весу. Такие дополнения не только делают новый материал черной окраской, но и обеспечивают низкий вес из-за низкой плотности антрацита. Антрацит используется в качестве эффективного наполнителя в твердой резины / пластмассы, по крайней мере с начала 1940-х годов (9).
Влияние антрацита на резину
Помимо массовых эффектов, действующих в качестве наполнителя, т.е. предоставление большей части физического размера вещества, использование антрацита в качестве наполнителя для резины вызывает заметное увеличение прочности в различных каучуков. Исследования показали, что в стирен-бутадиен типа синтетических каучуков, измельченных антрацита на частицы размером с ca. 3 мкм используется на 30% по весу количество предоставлено резины с напряженной прочности около 15% больше, чем когда черный углерод был использован в качестве наполнителя (10). Авторы отмечают, однако, что сила увеличивается с большей нагрузкой антрацита до такой степени - хрупкость становится заметной на самом высоком уровне антрацита.
Заметным преимуществом использования антрацита в качестве наполнителя для резины и аналогичных термопластиков является повышенная тепловая устойчивость готового материала, в результате чего на месте генерации полимерно-углеродного материала композита (11). Тепловая стабильность в готовой резине/пластике имеет особую полезность для материалов, используемых для корпусов аккумуляторов, поскольку батареи часто встречаются в теплых условиях, например, в моторном отсеке автомобиля, и поэтому долгосрочная устойчивость к температуре ценится за текущий срок службы батареи без утечек. По сравнению с другими - более низкими - типами угля, антрацит гораздо легче измельчается до сверхтонких размеров частиц,необходимых (12) и имеет физическую структуру, похожую на графит (13), поэтому требует небольшой обработки перед использованием.
Формирование резины с использованием высоких пропорций углеродистого материала, таких как антрацитовые наполнители, приводит к определенной степени образования пор, но они не являются пенетративными через объемный материал, и часто имеют размеры пор меньше 2 нм (14) и поэтому не признаются в качестве проблемы. На самом деле такие нано/микропоры выгодны; резина образуется в процессе, известном как вулканизация, и еластомеры, образованные вулканизацией, заполняют поры (15).
При формировании композитов, таких как резина, напряженный стресс уменьшается молекулярными цепями резины/пластика, «скользящими» по фрезерованным антрациту при внешнем стрессе – такое «скольжение» уменьшает общее стрессовое воздействие и, таким образом, можно сказать, укрепляет структуру (16). Сообщается, что измельченный антрацит имеет более сильное связывающее взаимодействие с резиновыми молекулами, чем другие углеродистые материалы.
Рассмотрение заявок
Типичный размер молоть для антрацита для резины составляет 325 сетки (44 мкм)(17). Решающее значение для долговечности срок службы - особенно в автомобильном секторе - использует высокое качество углерода для производства резиновых / пластиковых контейнеров батареи. Антрацит признан таким материалом и обеспечивает прочность свойств для общего корпуса. Несмотря на это, батареи с углеродно-резиновыми/пластиковыми корпусами должны быть защищены более чем одной точкой монтажа для предотвращения чрезмерного стресса (18), если стрессы могут возникнуть, особенно с высоким содержанием углерода, превышающим 75%. Постулируется, что электрическая проводимость в резиновых корпусах увеличивается за счет включения вторичных наполнителей, таких как глина, и, таким образом, их следует избегать (19).
Приложения в Анодесе
Быстро растущее использование наземного и фрезерованного антрацита является производством высоковерновых малотяговых анодов для современных аккумуляторных систем. Опираясь на антрацит, который является высокопроводя ведения (достигается путем кальцинации и графитации, см. ниже), новые технологии используют материал часто в качестве анодов в премиум литий-ионных клеток (20), до электрических батарей транспортного средства (21) и высокого класса натрия ванадия фосфатных клеток (22), которые утверждают, что позволяют повышенный уровень плотности энергии и быстрой зарядки возможностей. Такое использование многообразия зависит от четко определенной молекулярной структуры антрацита, его низкой плотности, таким образом, легкий вес, и его низкая электрическая устойчивость при кальцинировании. Кальцинированный антрацит может быть использован как часть электрода - часто как более 50% массы электрода - или в качестве покрытия.
Кальцинация и графибилизированные/графические формы углерода
Calcined антрацит имеет широкий спектр применений в литейных, огнеупорных и металлических производственных приложений (23,24) - и кальцинации имеет важное значение для антрацита, которые будут использоваться в качестве электрода. Обработка измельченного/порошкообразного/измельченного антрацита часто является первым процессом производства антрацита, лучше всего подходящего для хранения электрической энергии, таких как батареи.
Кальцинация снижает электрическую устойчивость материала и удаляет остаточные летучие органические соединения. Некалицинированный, как добытый, антрацит является электрическим изолятором. Антрацит, который был кальцинирован при температурах до 900 градусов по Цельсию, показывает существенное повышение его электрической проводимости, с резистивностью всего 1000 градусов по Цельсию (25).
Графитизированный углерод относится к форме углерода, который нагревается до определенной степени, на которой он берет на себя свойства графита, через формирование графитовой молекулярной структуры. Графит является превосходным электрическим проводником, и, таким образом, если можно позволить себе графитовые свойства дешевого и широко доступного материала, такого как антрацит, высокая протявителенный электрический проводник будет реализован. Полная графитация обычно происходит, когда твердый углеродистый материал нагревается за 2000 градусов по Цельсию, с частичной графитацией в материале, происходящих примерно от 1400 градусов по Цельсию и далее. Кальцинация может обеспечить такие температуры, особенно на нижнем конце (26).
Консультирование по оксиду марганца
- Антрацит является одним из самых чистых и широко доступных видов угля
- Его оптимальная плотность, твердость и структура углерода делают его полезным для различных применений
- Измельченный антрацит используется в качестве наполнителя в пластиковых/жестких резиновых покрытиях, контейнерах и корпусах для высокую производительность батарей
- Кальцинированный антрацит может быть использован в качестве анодов для высокотехнологичных батарей
Ссылки
1 C. Песня и H. H. Schobert, Топливо, 1996, 75, 724
2 S. Pusz et al., Int. J. Coal Geol., 2003, 113, 157
3 G. Wypych, Функциональные наполнители: Химическая композиция, Морфология, Производительность,Приложения , Elsevier, Амстердам, 2018
4 J.M. Peyneau, Дизайн высокоувереных Подкладка горшок, в: А. Томсетт и J. Джонсон (eds), Основные чтения в легких металлов, Springer, Кембридж, 2016
5 Рапопорт и Самойленко, Цветной Металлли, 1957,2, 44 (на русском языке)
6 У. Селага и др., Композиция. Часть A: Appl. Sci. Год выпуска., 2015, 73, 204
7 W. S. Blaschke (ed.), Новые тенденции в технологиях и оборудованииподготовки угля , Тейлор и Фрэнсис, Абингдон, Великобритания, 1995
8 A. K. Bhowmick, Технология производства резиновых изделий, CRC Press, Бока-Ратон, США, 1994
9 Патентов США US2638456A, 1949 (истек), US3400096A, 1963 (истек)
10 Дж. Тан и др., J. Appl. Полим. Sci., 2019, 136, 48203
11 Я. Чжан и др., Новая Химия. Матер., 2013, 41, 3
12 Х. Чжу и др., Дж. Res., 2010, 17, 621
13 С. Родригес и др., Int. Дж., 2012, 94, 191
14 J. Rouquerol et al., Чистый Appl. Хим., 1994, 66, 1739
15 Н. Мишовкси и др., Матер. Res., 2017, 20, 1211
16 Г. Д. Лугинсланд и др., Композиция. Часть A: Appl. Sci. Год выпуска., 2005, 36, 449
17 Х. Х. Шоберт, Топливный процесс. Технологий., 2004, 85, 1373
18 P. R. Lewis (ed.), Судебно-медицинская полимерная инженерия: Почему полимерные продукты fail in Service, 2-й эд, Вудхед, Кембридж, 2016
19 Э. Билотти и др., Композиция. Sci. Технологий., 2013, 74, 85
20 Y. Yu et al., J. Сплавные соединения, 2019, 779, 202
21 К. Чжан и др., eTransportation, 2019, 2, 100033
22 К. Ян и др. Adv. Матер., 2015, 27, 6670
23 С. Ге и др., Металлург. Матер. Транс. B, 1968, 20. 67
24 Патент США US9695088B2, 2010
25 И.В. Суроцева и др., Кока-колаи химия. , 2012, 55, 231
26 В.И. Лакомский, Кока-кола и химия, 2012, 55, 266
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.