L'expansion rapide du secteur des nouvelles énergies entraîne une forte demande de matériaux d'anode haute performance. Le carbone dur, matériau clé, connaît une augmentation conséquente de son volume de production et de ses exigences de qualité. Des équipements de traitement performants et précis sont essentiels pour répondre à ces exigences. Cet article explore la fabrication du carbone dur et son rôle crucial. fraisage par jet technologie.
Carbone dur Désigne un type de carbone pyrolytique. Obtenu par pyrolyse de polymères, de produits pétrochimiques, de biomasse, etc., il est classé comme carbone non graphitisable. En effet, le précurseur contient de nombreux hétéroatomes tels que H, O et N, qui entravent la formation de domaines cristallins lors du traitement thermique. Il est donc difficile à graphitiser, même à des températures supérieures à 2 500 °C.
Selon la température de pyrocarbonisation, les matériaux carbonés durs peuvent être classés en deux types : le carbone pyrolytique haute température (entre 1 000 et 1 400 °C) et le carbone pyrolytique basse température (entre 500 et 1 000 °C). Selon la source de carbone, on distingue : le carbone résineux (par exemple, résine phénolique, résine époxy, résine d'alcool polyfurfurylique, etc.), le carbone polymère organique (par exemple, PVA, PVC, PVDF, PAN, etc.), le noir de carbone (par exemple, le noir d'acétylène produit par CVD), le carbone de biomasse (par exemple, résidus et coquilles de plantes, etc.), etc.
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Le carbone dur facilite l'intercalation du lithium sans provoquer de dilatation structurelle significative et présente de bonnes performances en cycle de charge-décharge. Le carbone dur utilisé comme matériau d'anode dans les batteries lithium-ion est principalement fabriqué à partir de précurseurs, notamment à base de brai, de biomasse et de résine.
Les précurseurs de la fabrication du carbone dur comprennent l’asphalte, la biomasse, le sucre, la résine phénolique, les polymères organiques, etc. Les matériaux en carbone dur produits à partir de différentes substances présentent des courbes de charge-décharge similaires.
1. Fabrication de carbone dur à partir de brai
Les précurseurs à base de brai sont excellents pour la préparation de carbone dur grâce à leur taux élevé de résidus de carbone, leur large gamme de sources de matières premières et leur faible coût. Cependant, la fabrication de carbone dur à partir de brai nécessite un prétraitement, car le brai a tendance à se graphitiser et forme facilement des structures similaires au graphite lors de la carbonisation. Le prétraitement du brai implique généralement l'utilisation d'agents de réticulation pour réticuler le brai, modifier sa microstructure, empêcher la croissance des cristaux de graphite lors de la carbonisation par pyrolyse et réaliser une carbonisation en phase solide afin d'obtenir des matériaux en carbone dur. Une autre méthode de fabrication du brai est la préoxydation. Elle utilise des agents oxydants pour préoxyder le brai, obtenant ainsi un brai préoxydé avec une teneur en oxygène spécifique. En raison de la présence d'hétéroatomes d'oxygène, le brai peine à former une structure ordonnée lors de la pyrolyse et de la carbonisation. Il en résulte des matériaux en carbone dur à la microstructure relativement désordonnée.
2. Fabrication de carbone dur à partir de biomasse
La biomasse, issue de sources diversifiées, est respectueuse de l'environnement et verte, et contient une abondance d'hétéroatomes et des microstructures uniques, ce qui en fait un précurseur idéal pour la fabrication de carbone dur. Des chercheurs ont utilisé des écorces de pamplemousse comme source de carbone pour préparer des matériaux en carbone dur. Leurs études suggèrent que l'excellente performance d'intercalation du lithium des échantillons préparés est étroitement liée à la structure poreuse unique du matériau. Cette structure permet un contact parfait du matériau avec l'électrolyte et fournit des canaux pour le transport du Li+ au sein du matériau, ainsi que davantage de sites d'intercalation du lithium.
③ Fabrication de carbone dur à partir de polymères organiques
Comparée à la biomasse, la structure moléculaire des polymères organiques est relativement simple et contrôlable. Des structures moléculaires pertinentes peuvent être conçues selon les besoins, ce qui en fait d'excellents précurseurs pour la fabrication de carbone dur. Certains chercheurs ont utilisé la résine phénolique comme précurseur de carbone, obtenant des matériaux de carbone dur à base de résine par pyrolyse et carbonisation, et les ont utilisés comme matériaux d'anode pour les batteries lithium-ion et d'électrode pour les supercondensateurs. La capacité de la batterie lithium-ion peut atteindre 526 mAh·g⁻¹, et le rendement coulombien initial peut atteindre 80%.
Ce qui précède constitue une introduction aux caractéristiques du carbone dur et à ses méthodes de fabrication. Le carbone dur possède une structure microporeuse riche et une structure feuilletée avec un espacement intercouche plus important que le graphite. Il permet une désintercalation rapide des ions lithium et présente d'excellentes performances de taux de transfert. Certains matériaux en carbone dur offrent des performances de stockage du lithium supérieures à celles des anodes en graphite traditionnelles. Par conséquent, le carbone dur est également considéré comme un matériau d'anode prometteur. On estime que grâce aux progrès technologiques et à des recherches approfondies, l'application de ces matériaux aux anodes de batteries au lithium devrait également acquérir une position unique.
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