Didorong oleh tujuan netralitas karbon global, baterai litium-ion berkembang pesat sebagai teknologi penyimpanan energi inti. Material anoda, salah satu dari empat komponen utama baterai, sedang mengalami pergeseran revolusioner dari grafit tradisional ke material berkapasitas tinggi dan pengisian cepat. Di antaranya, berbasis resin karbon berpori Telah muncul sebagai pendukung inti untuk material anoda silikon CVD generasi mendatang. Hal ini berkat struktur pori yang unik dan dapat disetel, kinerja elektrokimia yang sangat baik, dan kompatibilitas yang unggul dengan material silikon. Material ini memimpin gelombang peningkatan industri.
Klasifikasi Teknologi Produk
Berbasis resin karbon berpori dapat dikategorikan berdasarkan sumber bahan baku, fitur struktural, dan aplikasi akhir.
Berdasarkan Sumber Resin Prekursor
Berbasis Resin Sintetis：
Berbasis Resin Fenolik: Rute paling umum. Bahan bakunya mudah didapat, dan prosesnya sudah matang (polimerisasi larutan, curing, karbonisasi, aktivasi). Proses ini menghasilkan karbon berpori berbentuk bulat, semi-bulat, dan blok tidak beraturan. Keunggulannya antara lain struktur pori yang sangat terkontrol, kekuatan mekanis yang tinggi, ketahanan anti-ekspansi dan tekanan yang sangat baik, serta deposisi silikon yang seragam. Hal ini menghasilkan efisiensi siklus pertama yang tinggi (>88%) dan masa pakai siklus yang panjang.
Resin sintetis lainnya termasuk poliakrilonitril (PAN), resin epoksi, dan polimida (PI). Masing-masing memiliki karakteristiknya sendiri, tetapi resin fenolik paling banyak digunakan dalam anoda baterai.
Resin Berbasis Biomassa:
Sebuah rute hijau yang sedang berkembang. Produk pemurnian biomassa (misalnya, turunan lignin, turunan gula) digunakan untuk mensintesis resin, yang kemudian dikarbonisasi untuk membentuk karbon berpori. Proses ini menggabungkan stabilitas resin tradisional dengan manfaat biomassa yang berbiaya rendah.
Berbasis aspal:
Biasanya dikategorikan secara terpisah, aspal berasal dari pirolisis polimer tinggi (hidrokarbon aromatik polisiklik). Aspal digunakan untuk membuat mikrosfer karbon turunan aspal fase menengah (MCMB), tetapi pengendalian struktur pori lebih sulit dibandingkan dengan resin.
Berdasarkan Karakteristik Struktur Pori dan Fokus Aplikasi
Karbon Berpori sebagai Pembawa Bahan Anoda Silikon-KobaltPersyaratan utamanya adalah struktur mesopori yang berkembang dengan baik (2-50 nm). Mesopori menyediakan ruang untuk nanopartikel silikon dan ekspansi volume buffer. Mikropori (<2 nm) menyediakan tempat penyimpanan litium tambahan dan memengaruhi konduktivitas. Rasio mikropori/mesopori, volume pori, distribusi ukuran, dan kimia permukaan harus dikontrol secara presisi. Material berbasis resin fenolik unggul karena kemampuan penyetelannya yang tinggi. Indikator kinerja meliputi luas permukaan, volume pori, pemuatan silikon, efisiensi siklus pertama, dan stabilitas siklus.
Anoda Karbon Keras: Terutama digunakan dalam baterai ion natrium. Karbon keras diproduksi dengan mengkarbonisasi resin (resin fenolik atau furan) atau biomassa pada suhu yang lebih rendah (1000-1400°C). Karbon keras memiliki banyak cacat, pori-pori tertutup, dan struktur mikrokristalin seperti grafit. Karbon keras membutuhkan kapasitas tinggi, kinerja laju yang sangat baik, kinerja suhu rendah, dan plateau tegangan rendah.
Elektroda Karbon SuperkapasitorMembutuhkan luas permukaan yang sangat tinggi (terutama pori mikro) dan konduktivitas yang sangat baik. Mikrosfer karbon aktif berbasis resin (terutama resin fenolik) adalah pilihan terbaik.
Adsorpsi/Katalisis Karbon Berpori:Tergantung pada adsorbat atau reaksi katalitik, struktur pori dan gugus fungsi permukaan yang spesifik diperlukan.
Berdasarkan Morfologi
Bulat/Semi-bulat: Kemampuan alir yang baik, ideal untuk pelapisan bubur elektroda yang seragam, dan densitas curah yang tinggi. Material berbasis resin fenolik mudah disiapkan melalui polimerisasi emulsi atau polimerisasi suspensi.
Blok/Bubuk Tidak Beraturan: Relatif mudah disiapkan, dengan biaya yang sedikit lebih rendah. Namun, kinerja pemrosesan elektroda mungkin terpengaruh.
Proses Pembuatan Inti
Pembuatan karbon berpori berbasis resin bergantung pada pemilihan prekursor polimer, pencetakan, pengawetan (ikatan silang), karbonisasi, dan aktivasi. Proses-proses ini secara langsung memengaruhi struktur, kinerja, dan biaya produk.
Sintesis dan Pencetakan Prekursor
- Persiapan Resin Sintetis:Misalnya, resin fenolik disintesis melalui kondensasi fenol dan formaldehida.
- Sintesis Resin yang Berasal dari Biomassa:Produk pemurnian biomassa seperti lignin dan selulosa diubah menjadi zat antara resin yang dapat diikat silang.
Cetakan
- Formasi BulatPolimerisasi emulsi (minyak dalam air atau air dalam minyak) dan polimerisasi suspensi merupakan metode utama untuk membuat mikrosfer resin fenolik berbentuk bulat. Faktor-faktor kunci meliputi pengendalian pengemulsi, dispersan, kecepatan pengadukan, dan suhu.
- Blok/Bentuk Lainnya:Metodenya meliputi pengecoran larutan, pencetakan, dan ekstrusi.
Pengeringan (Pengikatan Silang):
Hal ini membentuk struktur jaringan 3D pada prekursor resin, memastikan prekursor mempertahankan bentuk dan mengembangkan struktur pori target selama perlakuan suhu tinggi. Resin fenolik biasanya memerlukan proses curing panas pada suhu 150-200°C. Tingkat ikatan silang secara langsung memengaruhi hasil karbonisasi dan kekuatan kerangka karbon.
Karbonisasi
Prekursor diolah dalam atmosfer inert (N₂, Ar) pada suhu tinggi (600-1200°C) untuk mengubah polimer organik menjadi karbon anorganik. Proses ini melibatkan pirolisis, aromatisasi, dan penghilangan molekul-molekul kecil. Laju pemanasan, suhu akhir, dan waktu sangat penting untuk mengembangkan struktur mikrokristalin dan pembentukan pori awal.
Aktivasi (Pembentukan Pori)
Langkah ini memberi material luas permukaan yang tinggi dan pori-pori yang melimpah.
- Aktivasi FisikUap air atau CO₂ pada suhu tinggi (700-1000°C) mengoksidasi karbon dan secara selektif mengetsa atom karbon untuk membentuk pori-pori. Metode ini ramah lingkungan tetapi menghasilkan pori-pori mikro dengan lebih sedikit mesopori.
- Aktivasi KimiaSebelum atau sesudah karbonisasi, prekursor diimpregnasi dengan aktivator kimia (KOH, NaOH, ZnCl₂, H₃PO₄) dan dipanaskan dalam atmosfer inert (450-900°C). Aktivator memfasilitasi pembentukan pori dengan efisiensi tinggi, menghasilkan campuran mikropori dan mesopori.
- Metode TemplateTemplat (misalnya, bola nano SiO₂ atau kopolimer blok) ditambahkan selama sintesis atau pencetakan resin. Setelah karbonisasi dan aktivasi, templat dihilangkan, menghasilkan karbon mesopori yang teratur. Metode ini presisi tetapi mahal dan kompleks, sehingga produksi skala besar menjadi sulit.
Pasca perawatan
Meliputi pencucian asam/pencucian air (untuk menghilangkan sisa aktivator dan abu), pengeringan, penyaringan, dan modifikasi permukaan (misalnya, doping nitrogen untuk meningkatkan konduktivitas dan keterbasahan).
bubuk epik
Seiring meningkatnya permintaan material anoda canggih, karbon berpori berbasis resin telah menjadi pemain kunci dalam pengembangan baterai litium-ion dan superkapasitor berkinerja tinggi. Epic Powder, dengan keahliannya dalam teknologi penggilingan dan pemrosesan ultra-halus, menyediakan solusi khusus untuk produksi material inovatif ini. Dengan menawarkan peralatan penggilingan canggih seperti jet mill, ball mill, dan pengklasifikasi udara, Epic Powder membantu mengoptimalkan preparasi karbon berpori berbasis resin. Ini mencakup kontrol presisi atas ukuran partikel, struktur pori, dan sifat permukaan, yang memastikan peningkatan kinerja elektrokimia untuk aplikasi seperti material anoda silikon-karbon. Solusi mutakhir Epic Powder mendukung manufaktur efisien material penyimpanan energi berkualitas tinggi, berkapasitas tinggi, dan pengisian cepat, yang berkontribusi pada revolusi berkelanjutan dalam teknologi penyimpanan energi.
