Между измельчением и деагломерацией существует важное различие. Измельчение предполагает приложение достаточной энергии для разрушения первичных частиц. Оно уменьшает размер частиц за счет разрушения твердого материала. Деагломерация предполагает приложение меньшей, контролируемой энергии для разрыва более слабых связей между частицами, которые сгруппировались вместе во время синтеза, обработки или сушки. Первичные частицы остаются неповрежденными, разрушаются только скопления.
Для таких материалов, как сферический пористый углерод, катодный порошок из фосфата лития-железа и синтетический графит, деагломерация является подходящей операцией.
EPIC Powder Machinery's штифтовая мельница Системы деагломерации решают эту проблему за счет точного контроля энергии удара. Вращающиеся в противоположных направлениях диски с расположенными между ними штифтами создают интенсивные, но кратковременные механические импульсы — достаточные для разрыва связей агломератов без разрушения первичных частиц. В сочетании с интегрированной системой воздушный классификатор, Система поддерживает узкий диапазон размеров частиц и предотвращает задержку любого материала в зоне обработки дольше, чем это необходимо. В этой статье объясняется, как это работает в трех конкретных областях применения, с предоставлением технологических данных для каждой из них.
Как штифтовая мельница удаляет агломераты без измельчения.
Стержневая мельница состоит из двух дисков, установленных друг напротив друга на общей оси, каждый из которых снабжен концентрическими кольцами из штифтов. В конфигурации с противоположным вращением один диск вращается в каждом направлении. Относительная скорость между соседними кольцами из штифтов составляет приблизительно 150-250 м/с на внешних кольцах. Подаваемый материал поступает в центр и движется наружу через последовательные кольца из штифтов, подвергаясь быстрой последовательности ударных воздействий.
Ключевым фактором неразрушающей деагломерации является время пребывания частиц. Частицы проходят через поле иглы за миллисекунды. Суммарная энергия, приложенная к каждой частице, значительно ниже, чем в случае с другими методами. шаровая мельница или струйная мельница. Вращающаяся мельница создает импульс, достаточный для разрыва электростатических связей, связей Ван дер Ваальса или слабых механических связей, удерживающих скопления агломератов вместе. Затем материал выходит до того, как накопится достаточно энергии для повреждения самих первичных частиц.
В сочетании с динамическим воздушным классификатором система работает в замкнутом контуре. Материал, успешно деагломерированный и соответствующий целевому размеру частиц, поступает в систему сбора продукта. Материал, размер частиц которого все еще превышает целевой, возвращается для повторного прохождения через поле штифтов. Это предотвращает чрезмерную обработку уже мелкого материала и исключает необходимость последующего просеивания.
Три области применения, где деагломерация с помощью штифтовых мельниц дает измеримые результаты.
1. Сферический пористый углерод — сохранение пористой структуры.
Сферический пористый углерод получают путем пиролиза и активации, в результате которых образуется высокоразвитая внутренняя пористая сеть — именно площадь поверхности внутри пор делает этот материал ценным для суперконденсаторов, адсорбции газов и усовершенствованной фильтрации. Проблема заключается в том, что в процессе синтеза образуются агломерированные кластеры сфер, а традиционные попытки разрушить эти кластеры с помощью струйной или ударной мельницы постоянно повреждают пористую структуру. По данным анализа площади поверхности по методу BET, пористый углерод, полученный струйной мельницей, обычно демонстрирует уменьшение площади поверхности на 10-20% по сравнению с исходным образцом до измельчения — это прямая потеря производительности в конечном применении.
Деагломерация с помощью штифтовой мельницы разрушает межсферные связи без длительного высокоэнергетического контакта, который приводит к коллапсу пор. Целевой размер частиц для большинства применений пористых углеродных материалов следующий:
- Dv10: более 2,5 микрон — контроль тонкого хвоста для предотвращения чрезмерной площади поверхности на единицу объема
- Дн50: 6-8 микрон — медианный размер, обеспечивающий стабильное поведение электрода или фильтрующего слоя.
- Дн100: менее 20 микрон — жесткий верхний предел, исключающий крупные агломераты.
Достижение этих характеристик с помощью штифтовой мельницы, а не струйной, также значительно снижает энергопотребление, поскольку штифтовая мельница не применяет энергию сжатого газа, необходимую для разрушения твердых частиц, — она применяет только энергию механического импульса, необходимую для разрыва межчастичных связей, которая существенно ниже.
2. Переработка литиевых батарей — отделение литий-железо-фосфатных аккумуляторов от алюминиевой фольги.
Когда электродные листы литий-ионных батарей достигают конца срока службы и собираются для переработки, активный катодный материал — фосфат лития-железа (LFP) в случае батарей на основе фосфата железа — наносится на алюминиевую токосъемную фольгу. Для извлечения порошка LFP в форме, пригодной для перепродажи или переработки, необходимо отделить его от фольги, не измельчая фольгу на мелкие частицы алюминия, которые загрязняют LFP.
Именно эту проблему решает механизм дифференциального удара в штифтовой мельнице. LFP — хрупкий материал: он раскалывается и распадается под воздействием ударов штифтов. Алюминиевая фольга — пластичный материал: она изгибается, деформируется и изгибается под тем же ударом, не распадаясь на мелкие частицы. Штифты эффективно отслаивают и вибрируют покрытие LFP от поверхности фольги, в то время как фольга остается в виде крупных целых хлопьев. Последующий воздушный поток классификация Этот этап использует разницу в плотности и размере между мелкодисперсным порошком LFP и крупными алюминиевыми хлопьями. Классификатор легко разделяет их: алюминий попадает в поток крупных отходов, а мелкодисперсный порошок LFP — в поток готовой продукции.
| Целевые показатели эффективности процесса переработки LFP Продукт LFP D50: приблизительно 10 микрон после деагломерации в шаровой мельнице Загрязнение алюминием продукции LFP: менее 300 ppm по массе после разделения в воздушном классификаторе Состояние алюминиевой фольги: Сохранилась морфология крупных чешуек — подходит для раздельного сбора алюминия. Почему это важно: Загрязнение алюминием в концентрации выше 500 ppm значительно снижает рыночную стоимость LFP; измельчение фольги создает неотделимую мелкую фракцию, которая влияет на качество продукции LFP. |
Альтернативные подходы — термический пиролиз для выжигания связующего вещества с последующим механическим разделением или растворение связующего вещества в растворителе — либо энергоемки, либо требуют инфраструктуры для работы с растворителями. Метод с использованием штифтовой мельницы представляет собой сухой, непрерывный, одностадийный процесс деагломерации и разделения, с воздушной классификацией в качестве последующего контрольного показателя качества.
3. Синтетический графит — деагломерация с регулированием свойств поверхности.
Синтетический графит, используемый в анодах литиевых батарей, получают путем высокотемпературной графитизации нефтяного кокса или битумного кокса в качестве прекурсоров. В результате процесса образуются агломерированные частицы графита, которые необходимо измельчить перед приготовлением электродной суспензии. В отличие от двух других применений, деагломерация графита в шаровой мельнице также позволяет контролируемым и полезным образом изменять ключевые параметры материала.
Механическое воздействие игольчатой мельницы на частицы графита одновременно выполняет три функции. Оно разрушает межчастичные агломераты. Оно скругляет и сглаживает острые края свежеразбитых графитовых поверхностей (улучшая текучесть частиц и уменьшая дефекты электрода, вызванные острыми краями). И оно умеренно увеличивает удельную площадь поверхности, обнажая свежие графитовые поверхности и краевые плоскости. Это увеличение площади поверхности измеримо и контролируемо. Его можно регулировать, изменяя скорость вращения иголок и время пребывания. И оно напрямую влияет на маслопоглощающую способность графита, что, в свою очередь, влияет на количество связующего вещества, необходимого в составе электрода.
Для инженеров-электрохимиков, оптимизирующих свою рецептуру для конкретной системы связующих и целевой плотности электрода, наличие контролируемого значения маслопоглощения от поставщика графита является реальным практическим преимуществом. Это снижает вариативность рецептуры, возникающую из-за изменения свойств поверхности графита между производственными партиями.
Результаты производства
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1
Восстановление катода LFP — снижение загрязнения алюминием с более чем 800 ppm до менее чем 300 ppm.
Ситуация
Предприятие по переработке аккумуляторных материалов, занимающееся утилизацией отработанных катодных электродных листов из литий-железо-фосфата (LFP), получало порошок LFP, но постоянно обнаруживало в продукте примесь алюминия в количестве 800-1200 ppm — значительно выше порогового значения в 300 ppm, которое позволяет продавать материал в качестве переработанного активного материала для повторного использования в новых элементах. В существующем процессе для измельчения электродных листов использовалась молотковая дробилка, которая расщепляла алюминиевую фольгу на мелкие частицы, которые классифицировались вместе с порошком LFP и не могли быть отделены на последующих этапах обработки.
Решение
Компания EPIC Powder Machinery заменила молотковую мельницу на вращающуюся в противоположных направлениях штифтовую мельницу, настроенную на скорость вращения кончика штифта, соответствующую диапазону хрупко-пластичной деагломерации для LFP на алюминии. Скорость вращения штифта была установлена достаточно высокой, чтобы срезать покрытие LFP с поверхности фольги, но достаточно низкой, чтобы пластичная алюминиевая фольга поглощала энергию удара без разрушения. Динамический воздушный классификатор, расположенный ниже по потоку, отделял мелкодисперсный продукт LFP (D50 приблизительно 10 микрон) от крупных алюминиевых хлопьев.
Результаты
• Загрязнение алюминием продукции LFP: снижено с 800-1200 ppm до стабильно ниже 280 ppm — в соответствии со спецификациями для перепродажи.
• LFP D50: 10,2 микрона, узкое распределение — подходит для повторного использования в новых составах электродов.
• Алюминиевая фольга: извлекается в виде крупных хлопьев в отдельном потоке, пригодна для переработки алюминия по стандартной цене лома.
Режим процесса: непрерывный — без периодического цикла, без работы с растворителями, без необходимости термической обработки.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2
Сферический пористый углерод — деагломерация без потери площади поверхности.
Ситуация
Производитель пористых углеродных сфер для применения в суперконденсаторах проводил деагломерацию синтезированного продукта с помощью струйной мельницы с псевдоожиженным слоем. Целевое распределение частиц по размерам (Dn50 6-8 микрон, Dn100 менее 20 микрон) было достижимо, но измерения удельной поверхности по методу BET на продукте, полученном струйной мельницей, неизменно показывали меньшую удельную поверхность, чем у исходного эталонного материала до измельчения. Уменьшенная удельная поверхность напрямую приводила к снижению измеренной емкости готового электрода суперконденсатора — этап деагломерации ухудшал основные эксплуатационные характеристики продукта.
Решение
Компания EPIC Powder Machinery поставила противовращающуюся штифтовую мельницу со встроенным воздушным классификатором, сконфигурированную для достижения целевого распределения частиц по размерам. Скорость вращения штифтов и скорость подачи были оптимизированы в ходе испытаний на нашем научно-исследовательском предприятии для достижения заданных размеров при сохранении потери площади поверхности по методу BET ниже 3%.
Результаты
- Размер частиц: Dv10 2,7 микрона, Dn50 7,1 микрона, Dn100 18 микрон — в пределах спецификации.
- Потеря площади поверхности BET: 1,81 TP3T по сравнению с эталонным значением до измельчения — против 12-161 TP3T в предыдущем процессе струйной обработки.
- Емкость электрода: В ходе испытаний полуэлементов удалось достичь значений, отличающихся от исходных параметров до измельчения не более чем на 2%.
Энергопотребление: Деагломерация требует меньше энергии, чем предыдущий процесс струйной мельницы, а измельчение частиц с помощью штифтовой мельницы не потребляет сжатый газ.
| Необходима деагломерация для переработки батарей, пористого углерода или графита?Системы шаровых мельниц EPIC Powder Machinery сконфигурированы для решения конкретных задач, стоящих перед каждым материалом: контроль энергии удара для пористого углерода, управление разделением пластичных и хрупких частиц для аккумуляторной фольги и регулировка времени пребывания для настройки площади поверхности графита. Мы предлагаем бесплатные пробные обработки перед тем, как вы примете решение о приобретении оборудования. Отправьте нам спецификацию вашего материала и целевого параметра, и мы проведем пробную обработку и предоставим данные о распределении частиц по размерам с рекомендуемой конфигурацией. Ознакомьтесь с нашими системами деагломерации с помощью штифтовых мельниц: www.epic-powder.com |
Часто задаваемые вопросы
Может ли одна и та же штифтовая мельница перерабатывать все три материала — пористый углерод, переработанный LFP и графит?
Одна и та же базовая конструкция машины подходит для всех трех материалов, но с различными настройками конфигурации для каждого материала. Основной переменной является скорость вращения наконечника штифта: для пористого углерода требуется самая низкая скорость, чтобы избежать повреждения пористой структуры. Для переработки LFP требуется промежуточная скорость, настроенная на порог хрупко-пластичного состояния LFP по сравнению с алюминием. Синтетический графит допускает более высокую скорость, поскольку цель включает в себя умеренную модификацию поверхности наряду с деагломерацией. Скорость подачи и скорость вращения классификационного колеса также различаются для разных материалов. На практике производитель, работающий со всеми тремя материалами на одной линии, будет использовать отдельные проверенные технологические рецептуры для каждого материала с документированной процедурой переналадки, включающей промывочную партию между материалами для предотвращения перекрестного загрязнения. Для крупномасштабных операций, где материалы обрабатываются непрерывно, более практичной конфигурацией являются отдельные штифтовые мельницы для каждого материала.
Каков предельный уровень загрязнения алюминием переработанного LFP, необходимый для его использования в производстве новых элементов питания, и почему?
Обычно устанавливаемый порог для переработанного литий-железо-фосфатного аккумулятора (LFP) составляет менее 300 ppm по массе. Однако некоторые производители элементов устанавливают более жесткие ограничения в 100-200 ppm для высококачественных применений. Проблема носит электрохимический характер: ионы алюминия, растворенные из мелких частиц алюминия, могут осаждаться на аноде во время зарядки, способствуя снижению емкости и потенциально образуя металлические алюминиевые дендриты, представляющие опасность короткого замыкания. На уровне частиц нерастворенные частицы алюминия в электроде также могут создавать локальные изменения импеданса, влияющие на скорость зарядки/разрядки. Порог в 300 ppm не является абсолютной гарантией безопасности. Достижение этого порога с помощью шаровой мельницы и воздушного классификатора возможно без термической обработки или обработки растворителями.
Эпический порошок
Эпический порошок, Более 20 лет опыта в индустрии ультратонких порошков. Активно содействуем развитию ультратонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации ультратонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимального увеличения ценности вашей обработки порошка. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошка!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Инженер
