คาร์บอนพรุนที่ทำจากเรซิน: พลังใหม่ในวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ

ด้วยเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนระดับโลก แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วในฐานะเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานหลัก วัสดุแอโนด ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่ส่วนประกอบสำคัญของแบตเตอรี่ กำลังอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านครั้งสำคัญจากกราไฟต์แบบดั้งเดิมไปสู่วัสดุความจุสูงที่สามารถชาร์จได้เร็ว ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ เรซิน คาร์บอนที่มีรูพรุน ได้กลายมาเป็นแกนหลักในการสนับสนุนวัสดุแอโนดซิลิคอน CVD รุ่นใหม่ ด้วยโครงสร้างรูพรุนที่ปรับแต่งได้อันเป็นเอกลักษณ์ ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม และความเข้ากันได้ดีเยี่ยมกับวัสดุซิลิคอน บริษัทฯ กำลังเป็นผู้นำกระแสการพัฒนาอุตสาหกรรม

การจำแนกประเภทเทคโนโลยีผลิตภัณฑ์

เรซิน คาร์บอนที่มีรูพรุน สามารถแบ่งประเภทได้ตามแหล่งวัตถุดิบ คุณสมบัติโครงสร้าง และการใช้งานขั้นสุดท้าย

อ้างอิงจากแหล่งเรซินเบื้องต้น

เรซินสังเคราะห์:

เรซินฟีนอลิก: เป็นกระบวนการที่นิยมใช้มากที่สุด วัตถุดิบหาได้ง่าย และกระบวนการนี้ใช้เวลาพัฒนาเต็มที่ (การพอลิเมอไรเซชันด้วยสารละลาย การบ่ม คาร์บอไนเซชัน และการกระตุ้น) เรซินฟีนอลิกผลิตคาร์บอนที่มีรูพรุนรูปทรงกลม กึ่งทรงกลม และรูปทรงบล็อกไม่สม่ำเสมอ ข้อดีคือโครงสร้างรูพรุนที่ควบคุมได้สูง ความแข็งแรงเชิงกลสูง ทนต่อการขยายตัวและแรงดันได้ดีเยี่ยม และการสะสมซิลิคอนที่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ประสิทธิภาพรอบแรกสูง (>88%) และมีอายุการใช้งานยาวนาน

เรซินสังเคราะห์อื่นๆ ได้แก่ โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) เรซินอีพอกซี และโพลีอิไมด์ (PI) แต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะของตัวเอง แต่เรซินฟีนอลิกเป็นวัสดุที่นิยมใช้มากที่สุดในขั้วบวกของแบตเตอรี่

เรซินที่ได้จากชีวมวล:

เส้นทางสีเขียวที่กำลังเติบโต ผลิตภัณฑ์จากการกลั่นชีวมวล (เช่น อนุพันธ์ลิกนิน อนุพันธ์น้ำตาล) ถูกนำมาใช้เพื่อสังเคราะห์เรซิน ซึ่งจะถูกคาร์บอไนซ์ให้เป็นคาร์บอนที่มีรูพรุน ผสมผสานความเสถียรของเรซินแบบดั้งเดิมเข้ากับประโยชน์ด้านต้นทุนต่ำของชีวมวล

แอสฟัลต์:

โดยทั่วไปแล้ว แอสฟัลต์จะจำแนกประเภทแยกกัน เกิดจากการไพโรไลซิสด้วยพอลิเมอร์สูง (โพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน) แอสฟัลต์ถูกนำมาใช้ในการผลิตไมโครสเฟียร์คาร์บอนเฟสกลางที่ได้จากแอสฟัลต์ (MCMB) แต่การควบคุมโครงสร้างรูพรุนทำได้ยากกว่าการใช้เรซิน

ขึ้นอยู่กับลักษณะโครงสร้างรูพรุนและการมุ่งเน้นการใช้งาน

คาร์บอนที่มีรูพรุนเป็นตัวพา วัสดุขั้วบวกซิลิคอน-โคบอลต์:ข้อกำหนดสำคัญคือโครงสร้างเมโซพอร์ที่พัฒนาอย่างดี (2-50 นาโนเมตร) เมโซพอร์มีพื้นที่สำหรับอนุภาคนาโนซิลิคอนและการขยายตัวของปริมาตรบัฟเฟอร์ ไมโครพอร์ (<2 นาโนเมตร) มีพื้นที่กักเก็บลิเธียมเพิ่มเติมและมีอิทธิพลต่อสภาพการนำไฟฟ้า อัตราส่วนไมโครพอร์/เมโซพอร์ ปริมาตรรูพรุน การกระจายขนาด และเคมีพื้นผิวต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำ วัสดุที่ใช้เรซินฟีนอลิกเป็นวัสดุที่โดดเด่นเนื่องจากมีความสามารถในการปรับแต่งได้สูง ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพประกอบด้วยพื้นที่ผิว ปริมาตรรูพรุน การบรรจุซิลิคอน ประสิทธิภาพรอบแรก และความเสถียรของรอบ

ขั้วบวกคาร์บอนแข็ง:ส่วนใหญ่ใช้ในแบตเตอรี่โซเดียมไอออน คาร์บอนแข็งเกิดจากการเผาเรซิน (เรซินฟีนอลิกหรือฟิวแรน) หรือชีวมวลที่อุณหภูมิต่ำกว่า (1,000-1,400°C) คาร์บอนแข็งมีข้อบกพร่องมากมาย รูพรุนปิด และโครงสร้างผลึกขนาดเล็กคล้ายกราไฟต์ จำเป็นต้องมีความจุสูง ประสิทธิภาพอัตราเร็วที่ยอดเยี่ยม ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ และแรงดันไฟฟ้าคงที่ต่ำ

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อิเล็กโทรดคาร์บอน:ต้องการพื้นที่ผิวที่สูงมาก (ส่วนใหญ่เป็นไมโครพอร์) และมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ไมโครสเฟียร์คาร์บอนกัมมันต์ที่ทำจากเรซิน (โดยเฉพาะเรซินฟีนอลิก) ถือเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด

การดูดซับ/การเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนที่มีรูพรุน:ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาการดูดซับหรือปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา จำเป็นต้องมีโครงสร้างรูพรุนเฉพาะและกลุ่มฟังก์ชันพื้นผิว

อิงตามสัณฐานวิทยา

ทรงกลม/กึ่งทรงกลม:การไหลตัวดี เหมาะสำหรับการเคลือบผิวด้วยสารละลายอิเล็กโทรดอย่างสม่ำเสมอ และมีความหนาแน่นสูง วัสดุที่มีเรซินฟีนอลิกเป็นส่วนประกอบนั้นเตรียมได้ง่ายผ่านกระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชันหรือแบบแขวนลอย

บล็อก/ผงแบบไม่สม่ำเสมอ:เตรียมค่อนข้างง่าย ต้นทุนต่ำกว่าเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการประมวลผลอิเล็กโทรดอาจได้รับผลกระทบ

กระบวนการผลิตหลัก

การเตรียมคาร์บอนที่มีรูพรุนจากเรซินขึ้นอยู่กับการคัดเลือกสารตั้งต้นของพอลิเมอร์ การขึ้นรูป การบ่ม (การเชื่อมขวาง) การคาร์บอไนเซชัน และการกระตุ้น กระบวนการเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อโครงสร้าง ประสิทธิภาพ และต้นทุนของผลิตภัณฑ์

การสังเคราะห์และการขึ้นรูปสารตั้งต้น

• การเตรียมเรซินสังเคราะห์:ตัวอย่างเช่น เรซินฟีนอลิกสังเคราะห์โดยการควบแน่นของฟีนอลและฟอร์มาลดีไฮด์
• การสังเคราะห์เรซินจากชีวมวล:ผลิตภัณฑ์จากการกลั่นชีวมวล เช่น ลิกนินและเซลลูโลส จะถูกแปลงเป็นเรซินตัวกลางที่สามารถเชื่อมขวางได้

การขึ้นรูป

• การก่อตัวเป็นทรงกลม:พอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชัน (น้ำมันในน้ำ หรือ น้ำในน้ำ) และพอลิเมอไรเซชันแบบแขวนลอย เป็นวิธีการหลักในการผลิตไมโครสเฟียร์เรซินฟีนอลิกทรงกลม ปัจจัยสำคัญประกอบด้วยการควบคุมอิมัลซิไฟเออร์ สารช่วยกระจายตัว ความเร็วในการกวน และอุณหภูมิ
• บล็อก/รูปทรงอื่นๆ:วิธีการต่างๆ ได้แก่ การหล่อแบบละลาย การขึ้นรูป และการอัดรีด

การบ่ม (การเชื่อมขวาง):

สิ่งนี้จะสร้างโครงสร้างเครือข่ายสามมิติในสารตั้งต้นเรซิน ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะคงรูปร่างและพัฒนาโครงสร้างรูพรุนเป้าหมายในระหว่างการอบที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปเรซินฟีนอลิกต้องบ่มด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 150-200°C ระดับของการเชื่อมโยงขวางส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตคาร์บอนไนเซชันและความแข็งแรงของโครงสร้างคาร์บอน

การคาร์บอไนเซชัน

สารตั้งต้นจะถูกบำบัดในบรรยากาศเฉื่อย (N₂, Ar) ที่อุณหภูมิสูง (600-1200°C) เพื่อเปลี่ยนพอลิเมอร์อินทรีย์ให้เป็นคาร์บอนอนินทรีย์ กระบวนการนี้ประกอบด้วยการไพโรไลซิส การอะโรมาไทเซชัน และการกำจัดโมเลกุลขนาดเล็ก อัตราความร้อน อุณหภูมิสุดท้าย และเวลา มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาโครงสร้างผลึกขนาดเล็กและการเกิดรูพรุนในระยะเริ่มต้น

การกระตุ้น (การสร้างรูพรุน)

ขั้นตอนนี้จะทำให้วัสดุมีพื้นที่ผิวสัมผัสสูงและมีรูพรุนจำนวนมาก

• การกระตุ้นทางกายภาพ:ไอน้ำหรือ CO₂ ที่อุณหภูมิสูง (700-1000°C) จะออกซิไดซ์คาร์บอนและกัดกร่อนอะตอมคาร์บอนอย่างเฉพาะเจาะจงจนเกิดรูพรุน วิธีการนี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่ผลลัพธ์ที่ได้คือรูพรุนขนาดเล็ก (micropore) ที่มีรูพรุนขนาดกลาง (mesopore) น้อยกว่า
• การกระตุ้นทางเคมีก่อนหรือหลังการคาร์บอไนเซชัน สารตั้งต้นจะถูกชุบด้วยสารเคมีกระตุ้น (KOH, NaOH, ZnCl₂, H₃PO₄) และให้ความร้อนในบรรยากาศเฉื่อย (450-900°C) สารกระตุ้นเหล่านี้ช่วยอำนวยความสะดวกในการสร้างรูพรุน มีประสิทธิภาพสูง ส่งผลให้เกิดส่วนผสมของไมโครพอร์และเมโซพอร์
• วิธีเทมเพลต: แม่แบบ (เช่น ทรงกลมนาโน SiO₂ หรือโคพอลิเมอร์แบบบล็อก) จะถูกเติมลงไปในระหว่างการสังเคราะห์หรือการขึ้นรูปเรซิน หลังจากกระบวนการคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น แม่แบบจะถูกกำจัดออก ส่งผลให้คาร์บอนมีรูพรุนระดับเมโสพอรัสมีระเบียบ วิธีการนี้มีความแม่นยำแต่มีราคาแพงและซับซ้อน ทำให้การผลิตในปริมาณมากเป็นเรื่องท้าทาย

หลังการรักษา

รวมถึงการล้างด้วยกรด/การล้างด้วยน้ำ (เพื่อกำจัดตัวกระตุ้นและเถ้าที่ตกค้าง) การทำให้แห้ง การคัดกรอง และ การปรับเปลี่ยนพื้นผิว (เช่น การเจือไนโตรเจนเพื่อเพิ่มสภาพนำไฟฟ้าและความสามารถในการเปียก)

ผงมหากาพย์

เนื่องจากความต้องการวัสดุแอโนดขั้นสูงเพิ่มขึ้น คาร์บอนพรุนที่ทำจากเรซินจึงกลายเป็นผู้เล่นสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสิทธิภาพสูงและซูเปอร์คาปาซิเตอร์ Epic Powder มีความเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีการบดและการแปรรูปแบบละเอียดพิเศษ จึงนำเสนอโซลูชันที่ปรับแต่งเฉพาะสำหรับการผลิตวัสดุนวัตกรรมเหล่านี้ ด้วยการนำเสนออุปกรณ์บดที่ทันสมัย เช่น เครื่องบดเจ็ท เครื่องบดบอล และเครื่องแยกอากาศ Epic Powder ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเตรียมคาร์บอนพรุนที่ทำจากเรซิน ซึ่งรวมถึงการควบคุมขนาดอนุภาค โครงสร้างรูพรุน และคุณสมบัติพื้นผิวอย่างแม่นยำ ช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ดีขึ้นสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น วัสดุแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน โซลูชันที่ทันสมัยของ Epic Powder สนับสนุนการผลิตวัสดุกักเก็บพลังงานคุณภาพสูง ความจุสูง และชาร์จพลังงานได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนำไปสู่การปฏิวัติเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานอย่างต่อเนื่อง