Batteries au lithium sont principalement composées de quatre matériaux clés : matériau cathodique, matériau anodique, séparateur et électrolyte. Le matériau anodique joue un rôle crucial dans le stockage et la libération d'énergie dans les batteries au lithium, affectant significativement leur efficacité lors du premier cycle, leur performance en cycle, et plus encore. Le matériau anodique représente entre 6% et 10% du coût total d'une batterie au lithium. Actuellement, la majorité des matériaux anodiques sur le marché sont graphite artificiel et graphite naturel. Nous allons présenter le processus de production du graphite artificiel.
L'anode en graphite artificiel subit quatre processus majeurs et plus de dix sous-processus. Les matières premières pour le graphite artificiel sont divisées en trois catégories : à base de charbon, à base de pétrole, et un mélange de charbon et de pétrole. Parmi celles-ci, le coke à aiguille à base de charbon, le coke à aiguille à base de pétrole, et le coke de pétrole sont les plus couramment utilisés. En général, pour des matériaux anodiques avec une capacité spécifique élevée, le coke à aiguille est utilisé comme matière première, tandis que le coke de pétrole, moins cher, est utilisé pour des anodes avec une capacité spécifique plus faible. L'asphalte est utilisé comme liant.
Processus d'anode en graphite artificiel
Concassage, Revêtement et Pétrissage
Les matières premières en graphite (coke à aiguille ou coke de pétrole) sont mélangées avec un liant dans un rapport fixe de 100 : (5-20). La matière est introduite dans une trémie via un système d'alimentation sous vide, puis transférée dans un broyeur à jet d'air pour broyeur à jet d'air. Les matières premières, initialement de 5-10 mm, sont broyées jusqu'à 5-10 microns. Après le broyage à jet d'air, la matière est collectée par un cyclone de collecte de poussière. Le taux de collecte de poussière est d'environ 80%. Les gaz d'échappement sont filtrés à travers une cartouche filtrante puis libérés. L'efficacité de la filtration est supérieure à 99%. La matière de la cartouche filtrante possède des pores inférieurs à 0,2 micron, garantissant que les particules de poussière supérieures à 0,2 micron soient complètement capturées. Un ventilateur contrôle l'ensemble du système pour maintenir un état de pression négative.
Granulation Primaire
La matière uniformément mélangée subit une granulation pour former l'électrode négative semi-finis. La granulation est l'étape centrale de la production de graphite artificiel. La taille des particules influence directement la performance de l'électrode. Des particules plus grosses ont tendance à se dilater et ont une durée de vie en cycle plus courte, tandis que des particules plus petites nécessitent plus de liant, ce qui affecte la densité énergétique de la batterie. Par conséquent, le graphite artificiel haut de gamme est généralement soumis à une granulation secondaire après la graphitisation, liant 7-8 petites particules ensemble. Cela garantit à la fois la performance d'expansion et la densité énergétique.
Granulation par pyrolyse :
La matière est agitée à 200-300°C pendant 1-3 heures, puis chauffée à 400-500°C. Après agitation, la taille des particules de la matière atteint 10-20 microns, puis elle est refroidie et déchargée.
Broyage à billes et Tamisage :
La matière avec une taille de particules de 10-20 microns est traitée à l'aide d'un broyeur à billes pour réduire la taille à 6-10 microns. Elle est ensuite transportée par des tuyaux vers une machine de tamisage pour séparation.
Graphitisation
La matière granulaire subit une graphitisation à une température de 2200-3300°C pendant au moins 8 heures.
La graphitisation désigne le processus de transformation des atomes de carbone d'une structure désordonnée en une structure en réseau hexagonal ordonnée. L'objectif est d'obtenir des propriétés telles qu'une haute conductivité électrique, une haute conductivité thermique, une résistance à la corrosion et à l'usure. Lors du chauffage, les microcristaux dans le coke croissent à mesure que la température augmente. Les distorsions et défauts dans les microcristaux sont progressivement éliminés, conduisant à une transformation en carbone graphitisé. Plus la température de graphitisation est élevée, plus le développement de la structure microcristalline est complet (et plus le degré de graphitisation est élevé).
Granulation secondaire
La granulation secondaire est effectuée après avoir broyé la matière première en petites particules. L'asphalte est utilisé comme liant. La granulation se déroule dans un réacteur. La taille de particule cible est atteinte lors de ce processus. La granulation secondaire améliore l'intégration du réseau Li+ et les canaux de dé-embedding. Cela améliore la capacité de taux et la performance à basse température de l'électrode négative.
Revêtement et Carbonisation
À cette étape, l'asphalte et les polymères à base de résine sont ajoutés à la matière granulaire secondaire dans des proportions spécifiques. Le mélange est ensuite carbonisé à des températures comprises entre 1000 et 1300°C. Cela aboutit à un revêtement de couche de carbone amorphe sur la surface du graphite artificiel. Ce revêtement optimise le taux de transfert des ions lithium lors de la charge et de la décharge, améliorant la capacité de charge rapide de la cellule.
Broyage à la bille et tamisage
La matière graphitée est transportée sous vide dans un broyeur à billes pour un mélange physique et un broyage à la bille. La matière est ensuite tamisée. Le produit tamisé est inspecté, mesuré et emballé. Les particules de taille excessive subissent un broyage à la bille secondaire, après quoi elles sont inspectées, mesurées et emballées.
Les polluants comprennent principalement des particules en suspension, du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote, des fumées d'asphalte et de petites quantités de benzo(a)pyrène. Les particules en suspension sont principalement traitées à l'aide d'un collecteur de poussière à sac. Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote sont principalement traités par la méthode de désulfuration à double-alkali. Les fumées d'asphalte et le benzo(a)pyrène sont principalement traités par collecte et adsorption.
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