A rápida expansão da nova indústria de energia está impulsionando um aumento na demanda por materiais de ânodo de alto desempenho. Como material essencial, o volume de produção e os requisitos de qualidade para o carbono duro estão aumentando consequentemente. Equipamentos de processamento eficientes e precisos são essenciais para atender a essas demandas. Este artigo explora a fabricação de carbono duro e o papel crítico desempenhado por fresagem a jato tecnologia.
Carbono duro refere-se a um tipo de carbono pirolítico. É obtido a partir da pirólise de polímeros, produtos petroquímicos, biomassa, etc., e é classificado como carbono não grafitizável. Isso ocorre porque o precursor contém numerosos heteroátomos, como H, O e N, que dificultam a formação de domínios cristalinos durante o tratamento térmico. Isso dificulta a grafitização mesmo em altas temperaturas acima de 2500 °C.
Dependendo da temperatura de carbonização da pirólise, os materiais de carbono duro podem ser divididos em dois tipos: carbono pirolítico de alta temperatura (entre 1000 e 1400 °C) e carbono pirolítico de baixa temperatura (entre 500 e 1000 °C). Com base na fonte de carbono, eles podem ser categorizados em carbono resinoso (por exemplo, resina fenólica, resina epóxi, resina de álcool polifurfurílico, etc.), carbono polimérico orgânico (por exemplo, PVA, PVC, PVDF, PAN, etc.), negro de fumo (por exemplo, negro de acetileno produzido pelo método CVD), carbono de biomassa (por exemplo, resíduos e conchas vegetais, etc.) e outros.
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O carbono duro facilita a intercalação de lítio sem causar expansão estrutural significativa e apresenta bom desempenho no ciclo de carga-descarga. O carbono duro usado como material de ânodo em baterias de íons de lítio é fabricado principalmente a partir de precursores. Os precursores incluem materiais à base de piche, biomassa e resina, etc.
Os precursores para a fabricação de carbono duro incluem asfalto, biomassa, açúcar, resina fenólica, polímeros orgânicos, etc. Materiais de carbono duro produzidos a partir de diferentes substâncias apresentam curvas de carga-descarga semelhantes.
① Fabricação de carbono duro a partir de piche
Precursores à base de piche são excelentes para preparar carbono duro devido à sua alta taxa de resíduos de carbono, ampla gama de fontes de matéria-prima e baixo custo. No entanto, a fabricação de carbono duro a partir de piche requer pré-tratamento porque o piche tende a grafitizar e facilmente forma estruturas semelhantes à grafite durante a carbonização. O pré-tratamento do piche normalmente envolve o uso de agentes de reticulação para reticular o piche, modificar sua microestrutura, impedir o crescimento de cristais de grafite durante a carbonização por pirólise e realizar a carbonização em fase sólida para obter materiais de carbono duro. Outro método de fabricação de piche é a pré-oxidação. Ela usa agentes oxidantes para pré-oxidar o piche, obtendo piche pré-oxidado com um teor específico de oxigênio. Devido à presença de heteroátomos de oxigênio, o piche luta para formar uma estrutura ordenada durante a pirólise e a carbonização. Isso resulta em materiais de carbono duro com uma microestrutura relativamente desordenada.
② Fabricação de carbono duro a partir de biomassa
A biomassa possui diversas fontes, é ecologicamente correta, verde e contém heteroátomos abundantes e microestruturas únicas, tornando-a adequada como precursora para a fabricação de carbono duro. Alguns pesquisadores utilizaram casca de toranja como fonte de carbono para preparar materiais de carbono duro. Seus estudos acreditam que o excelente desempenho de intercalação de lítio das amostras preparadas está intimamente relacionado à estrutura porosa única do material. Essa estrutura ajuda o material a fazer contato total com o eletrólito e fornece canais para o transporte de Li+ dentro do material, bem como mais locais de intercalação de lítio.
③ Fabricação de carbono duro a partir de polímeros orgânicos
Em comparação com a biomassa, a estrutura molecular dos polímeros orgânicos é relativamente simples e controlável. Estruturas moleculares relevantes podem ser projetadas conforme necessário, tornando-os precursores excepcionais para a fabricação de carbono duro. Alguns pesquisadores utilizaram resina fenólica como precursor de carbono, obtendo materiais de carbono duro à base de resina por meio de pirólise e carbonização, e os utilizaram como materiais de ânodo para baterias de íons de lítio e materiais de eletrodo para supercapacitores. A capacidade da bateria de íons de lítio pode atingir 526 mAh·g⁻¹, e a eficiência coulômbica inicial pode atingir até 80%.
O texto acima é uma introdução às características do carbono duro e seus métodos de fabricação. O carbono duro possui uma rica estrutura microporosa e uma estrutura em camadas com um espaçamento intercalar maior do que o grafite. Ele permite a rápida desintercalação de íons de lítio e apresenta excelente desempenho de taxa. Alguns materiais de carbono duro apresentam maior desempenho de armazenamento de lítio do que os materiais de ânodo de grafite tradicionais. Consequentemente, o carbono duro também é considerado um material de ânodo promissor. Acredita-se que, com os avanços tecnológicos e pesquisas aprofundadas, a aplicação de materiais de carbono duro em ânodos de baterias de lítio também desenvolverá um posicionamento único.
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