В чем разница между прокаленным коксом и традиционным алюминиевым анодом с точки зрения материалов отрицательных электродов литиевых батарей? 

Требования, предъявляемые к материалам для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов для кальцинированного кокса, по сравнению с требованиями, предъявляемыми к традиционным анодам для выплавки алюминия, существенно различаются — это, по сути, сводится к двум совершенно разным логикам применения: Алюминиевые аноды используют кальцинированный кокс в качестве “каркаса” конечного продукта, что обеспечивает стабильный и медленный расход в условиях высокой температуры., сильно агрессивная электролитическая среда. С другой стороны, аноды литий-ионных аккумуляторов обрабатывают кальцинированный кокс как “затравку” для дальнейшей глубокой переработки с целью многократного и эффективного накопления и высвобождения ионов лития после графитации.

Это фундаментальное различие в логике, лежащей в основе, четко отражено в нескольких ключевых показателях:

1. Требования к чистоте: один из них “допускает наличие примесей”, другой “требует почти нулевого загрязнения”

Это самое фундаментальное и критическое расхождение.

Для алюминиевых анодов содержание серы и тяжелых металлов (таких как ванадий и натрий) в прокаленном коксе вызывает проблемы, но больше похоже на “хроническое заболевание”. Содержание серы ниже 3% является приемлемым, и даже чуть более высокие уровни все еще допустимы. Такие элементы, как ванадий, натрий и кальций, обладают каталитическим действием, которое может привести к окислению и растрескиванию анода во время электролиза, что ускоряет расход, но этот процесс относительно медленный и относится к категории “терпимых” — основная проблема заключается в том, не ухудшают ли они качество металлического алюминия.

Однако для анодов литий-ионных аккумуляторов эти примеси являются “злокачественными”. Даже незначительные количества серы, ванадия, железа и других элементов могут вызвать необратимые побочные реакции в материале анода, что непосредственно приводит к резкому снижению емкости, серьезному снижению эффективности первого цикла и даже угрозе безопасности. Поэтому для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов необходимо использовать кальцинированный кокс с низким содержанием серы и содержанием серы менее 1,5%, а требования к содержанию микроэлементов, таких как ванадий и натрий, намного превышают требования, предъявляемые к алюминиевым анодам.

2. Микроструктура: одному “просто необходим прочный каркас”, другой “должен претерпеть глубокие изменения”

Это определяет судьбу двух видов прокаленного кокса при последующей переработке.

Алюминиевые аноды используются непосредственно после смешивания прокаленного кокса с пеком, формования и обжига. Поэтому важна истинная плотность кокса и прочность на сжатие — каркас должен быть достаточно твердым и прочным, чтобы выдерживать термический удар и физическую эрозию внутри электролизера. В промышленности, как правило, требуется истинная плотность не менее 2,04 г/см3, и исследования показали, что из слегка недокалеченного кокса (с истинной плотностью от 2,03 до 2,05) на самом деле получаются аноды с более однородной реакционной способностью и меньшим потреблением углерода.

Для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов кальцинированный кокс является лишь отправной точкой долгого пути. Он должен пройти измельчение, графитизацию (при температуре выше 2600°C) и другие процессы, прежде чем окончательно превратиться в кристаллы графита. Поэтому производители литиевых аккумуляторов ценят “технологичность” и “потенциал” кокса при высокотемпературной графитации – например, способность кокса формировать высокоупорядоченную микрокристаллическую структуру. К таким показателям, как удельное сопротивление порошка и плотность отвода, предъявляются чрезвычайно высокие требования, поскольку именно эти свойства в конечном итоге определяют плотность прессования и производительность конечного графитового анода.

3. Стоимость и позиционирование на рынке: одно зависит от объема, другое – от качества

Из-за того, что требования к алюминиевым анодам сильно различаются, рынки уже разделились. Кальцинированный кокс со средним и высоким содержанием серы (1,5-3,0% серы) используется для производства алюминиевых анодов оптом – большой объем, низкая стоимость и традиционная основа. С другой стороны, кальцинированный кокс с низким содержанием серы (содержание серы < 1,5%) стал “ходовым товаром” для анодов литий-ионных аккумуляторов и специального графита, предъявляя строгие требования к качеству, высокой добавленной стоимости и значительно более высоким ценам. Можно сказать, что в эту новую эру судьба кальцинированного кокса меняется от “использования алюминия” к “расширению возможностей аккумуляторов”.