Введение
Пористые углеродные материалы: «битва скелетов» кремний-углеродных анодов
В стремлении к более высокой плотности энергии для литий-ионных аккумуляторов кремний-углеродные (Si/C) аноды рассматриваются как ключевой материал для замены традиционных графитОднако частицы кремния испытывают расширение объёма до 300% во время циклов зарядки/разрядки, что делает их крайне зависимыми от пористой углеродной матрицы. Какой из трёх основных источников углерода — биомасса, фенольная смола и уголь — в конечном итоге станет предпочтительным выбором для кремний-углеродных анодов? Эта борьба за производительность, стоимость и экологичность меняет ландшафт отрасли.
Техническая конкуренция между тремя основными источниками углерода
1. Углерод биомассы: зеленый путь, дарованный природой
Основные преимущества
◆ Естественная пористая структура: сама биомасса имеет обильное количество пор (например, удельная площадь поверхности угля из скорлупы кокосовых орехов может достигать 1000-2000 м²/г), что снижает сложность последующей активации.
◆ Низкая стоимость и устойчивость: сырье имеет широкий спектр источников, а стоимость за тонну может составлять всего 20 000–50 000 юаней (всего 1/3 от стоимости фенольной смолы).
◆ Большое количество поверхностных функциональных групп: группы, содержащие кислород/азот, могут усилить силу связи на границе раздела кремний-углерод.
Технические узкие места
● Плохая однородность: состав биомассы существенно различается между различными партиями, что влияет на стабильность работы батареи.
● Сложность контроля примесей: ионы металлов (K⁺, Ca²⁺) требуют строгой промывки кислотой; в противном случае они ускорят разложение электролит.
Циндаоская компания по производству порошкового оборудования Epic Powder Machinery Co., Ltd. это профессиональный производитель оборудования для обработки порошков. Наша продукция включает в себя оборудование для измельчения порошков, оборудование для классификации, оборудование для нанесения покрытий и сопутствующее вспомогательное оборудование.
Струйная мельница и классификатор, производимые нашей компанией, являются важными инструментами для решения проблемы консистенции биомассы. Благодаря сверхтонкому измельчению, достигаемому за счёт удара высокоскоростного воздушного потока и самосоударения частиц, предотвращается загрязнение металлами. Кроме того, в сочетании с технологией прецизионной классификации, распределение размеров частиц (D50, D97) углеродных прекурсоров можно точно контролировать, гарантируя высокую стабильность физических свойств каждой партии сырья. Это закладывает прочную основу для стабильности последующих процессов и однородности характеристик конечного пористого углеродного материала, напрямую помогая преодолеть сложную проблему отрасли – «плохую консистенцию».
2. Фенольная смола: высококачественный выбор, ориентированный на производительность
Характеристики процесса: Точное регулирование пор (размер пор регулируется от 2 до 50 нм) посредством полимеризации-карбонизации-активации.
Незаменимость
◆ Точная структурная управляемость: подходит для подготовки градиентных пор (макропоры обеспечивают расширение буфера + мезопоры способствуют переносу ионов) с начальной эффективностью более 90%.
◆ Высокая чистота и отсутствие примесей: содержание золы после карбонизации составляет менее 0,1%, что значительно превосходит показатель биомассы (обычно более 1%).
Главный недостаток
● Высокая стоимость: сырье зависит от нефтехимических продуктов, а стоимость за тонну составляет приблизительно 150 000–200 000 юаней;
● Давление в сфере охраны окружающей среды: Формальдегид выбрасывается в процессе производства, что требует использования вспомогательного оборудования для очистки хвостовых газов.
Эксплуатационные преимущества пористого углерода на основе фенольной смолы во многом зависят от морфологии прекурсора карбонизации. Ультратонкое измельчение и точная классификация полимеризованного преполимера фенольной смолы позволяют получить микросферы с лучшей сферичностью и более равномерным размером частиц. После карбонизации такие микросферы могут образовывать пористый углерод с более регулярной структурой и более концентрированным распределением пор по размерам, что значительно повышает его проводимость и буферный эффект при использовании в качестве носителя для кремнийсодержащих материалов.
Классификатор Epic Powder — идеальный выбор для эффективной подготовки и точной классификации микросфер смолы, позволяющий максимально раскрыть потенциал технологии фенольных смол. Epic Powder предлагает 6 типов классификаторов: ХТС, МТК, ВМТ, ТТС, МБС и СТС. Они могут удовлетворить различные требования к размеру частиц для различных видов сырья. Если вы хотите узнать больше или у вас есть вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами. свяжитесь с EPIC POWDER.
3. Углерод на основе угля: темная лошадка, прорывающаяся с преимуществом по стоимости
Инновация в сырье: твердый углерод/мягкий углерод получают путем модификации пека, коксующегося угля и т. д.
Преимущество прорыва
◆ Снижение затрат: себестоимость за тонну может быть снижена до 10 000–30 000 юаней, что подходит для крупномасштабного производства;
◆ Совместимость с графитизацией: некоторые виды углерода на основе угля можно напрямую использовать на существующих линиях по производству графитовых анодов.
Технические проблемы
● Недостаточная пористость: удельная площадь поверхности традиционного угля обычно составляет менее 500 м²/г, поэтому требуется сильная окислительная активация.
● Остатки серы/азота: влияют на срок службы аккумуляторов (например: сера вызывает нестабильность пленки SEI).
Будущие тенденции
Рынок высококачественных материалов: фенолоальдегидный углерод продолжает доминировать
Подходит для сценариев, чувствительных к производительности, таких как высоконикелевые тройные батареи, но необходимо снизить затраты за счет модификации мономера (например, легирования бором).
Основной тренд для аккумуляторных батарей: композитный углерод на основе биомассы и угля
Биомасса обеспечивает пористую структуру, в то время как углерод на основе угля заполняет каркас, что позволяет снизить затраты; смешанные источники углерода могут стать компромиссным решением.
Ультимативная черная технология: искусственный направленный синтез углерода
Углерод, разработанный на молекулярном уровне, подобный MOF (металлоорганические каркасы), позволяют сбалансировать структурную точность и стоимость (лабораторная стадия).
Заключение
Не существует «идеального ответа» — есть только «оптимальное решение».
Конкуренция на рынке пористого углерода, по сути, представляет собой трёхсторонний баланс между производительностью, стоимостью и экологичностью. В краткосрочной перспективе:
• Высококачественные аккумуляторные элементы по-прежнему используют фенольную смолу и углерод;
• Энергоаккумуляторы будут склоняться к гибридным схемам на основе биомассы и угля;
• Прорывные технологии (например, проектирование углеродных структур с помощью искусственного интеллекта) могут переписать правила игры.
Поскольку скорость проникновения кремний-углеродных анодов превысит 10% (прогноз на 2025 год), победитель этого конкурса материалов может определить промышленный ландшафт аккумуляторов следующего поколения.
