Được thúc đẩy bởi các mục tiêu trung hòa carbon toàn cầu, pin lithium-ion đang phát triển nhanh chóng như một công nghệ lưu trữ năng lượng cốt lõi. Vật liệu anode, một trong bốn thành phần chính của pin, đang trải qua một cuộc chuyển đổi mang tính cách mạng từ than chì truyền thống sang vật liệu dung lượng cao, sạc nhanh. Trong số đó, vật liệu gốc nhựa carbon xốp đã nổi lên như một vật liệu hỗ trợ cốt lõi cho vật liệu anode silicon CVD thế hệ tiếp theo. Điều này là do cấu trúc lỗ xốp có thể điều chỉnh độc đáo, hiệu suất điện hóa tuyệt vời và khả năng tương thích vượt trội với vật liệu silicon. Sản phẩm đang dẫn đầu làn sóng nâng cấp công nghiệp.
Phân loại công nghệ sản phẩm
Dựa trên nhựa carbon xốp có thể được phân loại dựa trên nguồn nguyên liệu thô, đặc điểm cấu trúc và ứng dụng cuối cùng.
Dựa trên nguồn nhựa tiền chất
Dựa trên nhựa tổng hợp:
Nhựa Phenolic: Phương pháp phổ biến nhất. Nguyên liệu thô sẵn có và quy trình đã hoàn thiện (trùng hợp dung dịch, đóng rắn, cacbon hóa, hoạt hóa). Phương pháp này tạo ra các cacbon xốp hình cầu, bán cầu và khối không đều. Ưu điểm là cấu trúc lỗ xốp có thể kiểm soát cao, độ bền cơ học cao, khả năng chống giãn nở và chịu áp suất tuyệt vời, và lắng đọng silic đồng đều. Điều này dẫn đến hiệu suất chu kỳ đầu tiên cao (>88%) và tuổi thọ chu kỳ dài.
Các loại nhựa tổng hợp khác bao gồm polyacrylonitrile (PAN), nhựa epoxy và polyimide (PI). Mỗi loại có những đặc tính riêng, nhưng nhựa phenolic được sử dụng rộng rãi nhất trong cực dương pin.
Nhựa có nguồn gốc từ sinh khối:
Một hướng đi xanh, đang nổi lên. Các sản phẩm tinh chế sinh khối (ví dụ: dẫn xuất lignin, dẫn xuất đường) được sử dụng để tổng hợp nhựa, sau đó được cacbon hóa để tạo thành carbon xốp. Phương pháp này kết hợp tính ổn định của nhựa truyền thống với lợi ích chi phí thấp của sinh khối.
Dựa trên nhựa đường:
Nhựa đường thường được phân loại riêng biệt, có nguồn gốc từ quá trình nhiệt phân polyme cao (hydrocarbon thơm đa vòng). Nó được sử dụng để tạo ra các vi cầu carbon có nguồn gốc từ nhựa đường pha trung gian (MCMB), nhưng việc kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng khó khăn hơn so với nhựa.
Dựa trên đặc điểm cấu trúc lỗ chân lông và trọng tâm ứng dụng
Carbon xốp làm chất mang cho Vật liệu anode silicon-coban: Yêu cầu quan trọng là cấu trúc lỗ mesopore phát triển tốt (2-50nm). Lỗ mesopore cung cấp không gian cho các hạt nano silicon và giãn nở thể tích đệm. Lỗ micropore (<2nm) cung cấp thêm vị trí lưu trữ lithium và ảnh hưởng đến độ dẫn điện. Tỷ lệ lỗ micropore/lỗ mesopore, thể tích lỗ, phân bố kích thước và tính chất hóa học bề mặt phải được kiểm soát chính xác. Vật liệu gốc nhựa phenolic vượt trội nhờ khả năng điều chỉnh cao. Các chỉ số hiệu suất bao gồm diện tích bề mặt, thể tích lỗ, tải lượng silicon, hiệu suất chu kỳ đầu tiên và độ ổn định chu kỳ.
Anode cacbon cứng: Chủ yếu được sử dụng trong pin ion natri. Cacbon cứng được sản xuất bằng cách cacbon hóa nhựa (nhựa phenolic hoặc furan) hoặc sinh khối ở nhiệt độ thấp hơn (1000-1400°C). Cacbon cứng có nhiều khuyết tật, lỗ rỗng khép kín và cấu trúc vi tinh thể giống than chì. Cacbon cứng đòi hỏi dung lượng cao, hiệu suất tốc độ tuyệt vời, hiệu suất nhiệt độ thấp và điện áp ổn định thấp.
Điện cực siêu tụ điện Carbon: Yêu cầu diện tích bề mặt rất lớn (chủ yếu là các lỗ siêu nhỏ) và độ dẫn điện tuyệt vời. Các vi cầu than hoạt tính gốc nhựa (đặc biệt là nhựa phenolic) là lựa chọn tốt nhất.
Hấp phụ/Xúc tác Carbon xốp: Tùy thuộc vào phản ứng hấp phụ hoặc xúc tác, cần có cấu trúc lỗ rỗng và nhóm chức năng bề mặt cụ thể.
Dựa trên hình thái học
Hình cầu/Hình cầu bán cầu: Độ chảy tốt, lý tưởng cho lớp phủ điện cực dạng bùn đồng đều và có mật độ khối cao. Vật liệu gốc nhựa phenolic dễ dàng chế tạo bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương hoặc trùng hợp huyền phù.
Khối/Bột không đều: Tương đối dễ chuẩn bị, chi phí thấp hơn một chút. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý điện cực có thể bị ảnh hưởng.
Quy trình sản xuất cốt lõi
Việc chế tạo carbon xốp gốc nhựa phụ thuộc vào việc lựa chọn tiền chất polymer, đúc khuôn, lưu hóa (liên kết ngang), cacbon hóa và hoạt hóa. Các quy trình này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc, hiệu suất và chi phí của sản phẩm.
Tổng hợp và đúc tiền chất
- Chuẩn bị nhựa tổng hợp: Ví dụ, nhựa phenolic được tổng hợp bằng cách ngưng tụ phenol và formaldehyde.
- Tổng hợp nhựa có nguồn gốc từ sinh khối:Các sản phẩm tinh chế sinh khối như lignin và cellulose được chuyển đổi thành các chất trung gian nhựa có thể liên kết chéo.
Khuôn đúc
- Sự hình thành hình cầu: Trùng hợp nhũ tương (dầu trong nước hoặc nước trong dầu) và trùng hợp huyền phù là những phương pháp chính để tạo ra vi cầu nhựa phenolic. Các yếu tố chính bao gồm kiểm soát chất nhũ hóa, chất phân tán, tốc độ khuấy và nhiệt độ.
- Khối/Hình dạng khác:Các phương pháp bao gồm đúc dung dịch, đúc khuôn và đùn.
Đóng rắn (Liên kết ngang):
Điều này tạo thành cấu trúc mạng lưới 3D trong tiền chất nhựa, đảm bảo nhựa giữ được hình dạng và phát triển cấu trúc lỗ rỗng mục tiêu trong quá trình xử lý nhiệt độ cao. Nhựa phenolic thường cần xử lý nhiệt ở 150-200°C. Mức độ liên kết ngang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cacbon hóa và độ bền khung cacbon.
Cacbon hóa
Tiền chất được xử lý trong môi trường trơ (N₂, Ar) ở nhiệt độ cao (600-1200°C) để chuyển đổi polyme hữu cơ thành cacbon vô cơ. Quá trình này bao gồm nhiệt phân, thơm hóa và loại bỏ các phân tử nhỏ. Tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ cuối cùng và thời gian là những yếu tố quan trọng để hình thành cấu trúc vi tinh thể và hình thành lỗ rỗng ban đầu.
Kích hoạt (Hình thành lỗ chân lông)
Bước này giúp vật liệu có diện tích bề mặt lớn và nhiều lỗ rỗng.
- Kích hoạt vật lý: Hơi nước hoặc CO₂ ở nhiệt độ cao (700-1000°C) sẽ oxy hóa carbon và ăn mòn chọn lọc các nguyên tử carbon để tạo thành các lỗ rỗng. Phương pháp này thân thiện với môi trường nhưng chủ yếu tạo ra các lỗ rỗng siêu nhỏ với ít lỗ rỗng trung bình hơn.
- Hoạt hóa hóa học: Trước hoặc sau quá trình cacbon hóa, tiền chất được tẩm các chất hoạt hóa hóa học (KOH, NaOH, ZnCl₂, H₃PO₄) và được nung trong môi trường trơ (450-900°C). Các chất hoạt hóa này tạo điều kiện hình thành lỗ rỗng với hiệu suất cao, tạo ra hỗn hợp các lỗ rỗng vi mô và lỗ rỗng trung bình.
- Phương pháp mẫu: Các khuôn mẫu (ví dụ, các khối cầu nano SiO₂ hoặc copolymer khối) được thêm vào trong quá trình tổng hợp hoặc đúc nhựa. Sau khi cacbon hóa và hoạt hóa, khuôn mẫu được loại bỏ, tạo ra carbon xốp meso có trật tự. Phương pháp này chính xác nhưng tốn kém và phức tạp, khiến việc sản xuất quy mô lớn trở nên khó khăn.
Sau khi điều trị
Bao gồm rửa axit/rửa nước (để loại bỏ chất hoạt hóa còn sót lại và tro), sấy khô, sàng lọc và sửa đổi bề mặt (ví dụ, bổ sung nitơ để tăng độ dẫn điện và khả năng thấm ướt).
bột sử thi
Khi nhu cầu về vật liệu anode tiên tiến ngày càng tăng, carbon xốp gốc nhựa đã trở thành một yếu tố chủ chốt trong việc phát triển pin lithium-ion và siêu tụ điện hiệu suất cao. Với chuyên môn về công nghệ nghiền và xử lý siêu mịn, Epic Powder cung cấp các giải pháp phù hợp cho việc sản xuất những vật liệu tiên tiến này. Bằng cách cung cấp các thiết bị nghiền hiện đại như máy nghiền tia, máy nghiền bi và máy phân loại khí, Epic Powder giúp tối ưu hóa quá trình chuẩn bị carbon xốp gốc nhựa. Điều này bao gồm kiểm soát chính xác kích thước hạt, cấu trúc lỗ rỗng và các đặc tính bề mặt, đảm bảo hiệu suất điện hóa được nâng cao cho các ứng dụng như vật liệu anode silicon-carbon. Các giải pháp tiên tiến của Epic Powder hỗ trợ sản xuất hiệu quả các vật liệu lưu trữ năng lượng chất lượng cao, dung lượng lớn và sạc nhanh, góp phần vào cuộc cách mạng đang diễn ra trong công nghệ lưu trữ năng lượng.
