Các yêu cầu về chỉ số đối với than cốc dầu mỏ graphit hóa trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau (chẳng hạn như cực dương và cực âm của pin lithium và nhôm) là những trọng tâm chính nào?

Yêu cầu chỉ số khác nhau đối với than cốc dầu mỏ graphit hóa trong hai lĩnh vực ứng dụng chính: cực dương pin lithium-ion và cực âm nhôm

Các yêu cầu về chỉ số đối với than cốc dầu mỏ graphit hóa cho thấy sự khác biệt đáng kể về thành phần hóa học, cấu trúc vật lý và hiệu suất điện hóa giữa cực dương pin lithium-ion và cực âm nhôm. Các ưu tiên chính được tóm tắt như sau:

I. Điện cực dương của pin lithium-ion: Hiệu suất điện hóa là yếu tố cốt lõi, có xét đến độ ổn định cấu trúc.

1. Hàm lượng lưu huỳnh thấp (<0,5%)
   Dư lượng lưu huỳnh có thể gây ra hiện tượng co giãn tinh thể trong quá trình graphit hóa, dẫn đến nứt vỡ điện cực. Ngoài ra, lưu huỳnh có thể giải phóng khí ở nhiệt độ cao, làm hỏng màng giao diện điện phân rắn (SEI) và dẫn đến mất dung lượng không thể phục hồi. Ví dụ, tiêu chuẩn GB/T 24533-2019 quy định kiểm soát nghiêm ngặt hàm lượng lưu huỳnh đối với than chì được sử dụng trong cực dương của pin lithium-ion.
2. Hàm lượng tro thấp (≤0,15%)
   Các tạp chất kim loại trong tro (ví dụ: natri, sắt) xúc tác quá trình phân hủy chất điện giải, đẩy nhanh quá trình xuống cấp của pin. Tạp chất natri cũng có thể gây ra quá trình oxy hóa cấu trúc tổ ong của cực dương, làm giảm tuổi thọ chu kỳ. Than chì có độ tinh khiết cao cần quy trình “ba cao” (nhiệt độ cao, áp suất cao, nguyên liệu thô có độ tinh khiết cao) để giảm hàm lượng tro xuống dưới 0,15%.
3. Độ kết tinh cao và sự sắp xếp có định hướng
   • Mật độ thực cao: Phản ánh độ kết tinh của than chì; mật độ thực cao hơn đảm bảo các kênh có trật tự cho quá trình chèn/khai thác ion liti, nâng cao hiệu suất tốc độ.
   • Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Than cốc dạng kim, với cấu trúc dạng sợi, có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 30% so với than cốc dạng xốp, giúp giảm thiểu sự giãn nở thể tích trong các chu kỳ sạc/xả (ví dụ, than chì dị hướng giãn nở dọc theo trục C, gây ra hiện tượng phồng pin).
4. Kích thước hạt cân bằng và diện tích bề mặt riêng
   • Phân bố kích thước hạt rộng: Các thông số D10, D50 và D90 được tối ưu hóa cho phép các hạt nhỏ hơn lấp đầy các khoảng trống giữa các hạt lớn hơn, cải thiện mật độ nén (mật độ nén cao hơn làm tăng lượng vật liệu hoạt tính trên mỗi đơn vị thể tích, mặc dù mức quá cao sẽ làm giảm khả năng thấm ướt của chất điện giải).
   • Diện tích bề mặt riêng vừa phải: Diện tích bề mặt riêng cao (>10 m²/g) rút ngắn đường di chuyển của ion liti, tăng hiệu suất tốc độ, nhưng làm tăng diện tích màng SEI, làm giảm hiệu suất Coulomb ban đầu (ICE).
5. Hiệu suất Coulomb ban đầu cao (≥92,6%)
   Việc giảm thiểu tiêu thụ lithium trong quá trình hình thành lớp SEI trong chu kỳ sạc/xả đầu tiên là rất quan trọng để duy trì mật độ năng lượng cao. Các tiêu chuẩn yêu cầu dung lượng xả ban đầu ≥350,0 mAh/g và ICE ≥92,6%.

II. Cathode nhôm: Độ dẫn điện và khả năng chịu sốc nhiệt là những ưu tiên hàng đầu

1. Kiểm soát hàm lượng lưu huỳnh theo cấp độ
   • Than cốc hàm lượng lưu huỳnh thấp (S < 0,8%): Được sử dụng trong các điện cực than chì cao cấp để ngăn ngừa hiện tượng phồng rộp và nứt do khí lưu huỳnh gây ra trong quá trình sản xuất thép, giảm lượng thép tiêu thụ trên mỗi tấn (ví dụ, một doanh nghiệp đã giảm lượng tiêu thụ cực dương 12% bằng cách sử dụng than cốc hàm lượng lưu huỳnh thấp).
   • Than cốc có hàm lượng lưu huỳnh trung bình (S 2%–4%): Thích hợp cho điện cực dương trong quá trình điện phân nhôm, cân bằng giữa chi phí và hiệu suất.
2. Khả năng chịu đựng hàm lượng tro cao (với các biện pháp kiểm soát tạp chất cụ thể)
   Hàm lượng vanadi trong tro phải ≤0,03% để tránh hiện tượng giảm hiệu suất dòng điện điện phân nhôm định kỳ. Tạp chất natri cần được kiểm soát chặt chẽ để ngăn ngừa quá trình oxy hóa cấu trúc tổ ong của cực dương.
3. Độ kết tinh cao và khả năng chống sốc nhiệt
   Than cốc dạng kim được ưa chuộng nhờ cấu trúc dạng sợi, mang lại mật độ cao, độ bền tốt, khả năng chống mài mòn thấp và khả năng chịu sốc nhiệt tuyệt vời, giúp nó chịu được những biến động nhiệt thường xuyên trong quá trình điện phân nhôm. Hệ số giãn nở nhiệt thấp giúp giảm thiểu hư hại cấu trúc, kéo dài tuổi thọ của cực âm.
4. Kích thước hạt và độ bền cơ học
   • Ưu tiên sử dụng các hạt dạng cục: Giảm hàm lượng bột than cốc để tránh vỡ vụn trong quá trình vận chuyển và nung, đảm bảo độ bền cơ học.
   • Tỷ lệ than cốc nung cao: 70% than cốc nung được sử dụng trong các điện cực anot điện phân nhôm để tăng cường độ dẫn điện và khả năng chống ăn mòn.
5. Độ dẫn điện cao
   Điện cực than cốc dạng kim có thể dẫn dòng điện 100.000 A, đạt hiệu suất luyện thép 25 phút mỗi lò và độ dẫn điện cao gấp ba lần so với than cốc thông thường, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.

III. Tóm tắt những điểm khác biệt cốt lõi

IV. Xu hướng ngành

• Điện cực dương của pin lithium-ion: Than cốc có cấu trúc hạt nhân mới (kết cấu xuyên tâm) và than cốc nung biến tính bằng nhựa đường (tăng cường tuổi thọ chu kỳ của điện cực dương cacbon cứng) đang là những điểm nóng nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hơn nữa mật độ năng lượng và hiệu suất chu kỳ.
• Cực âm nhôm: Nhu cầu ngày càng tăng đối với các điện cực than cốc dạng kim cỡ lớn 750 mm và than cốc có hàm lượng lưu huỳnh trung bình dùng cho quá trình nghiền cacbua silic đang thúc đẩy sự phát triển vật liệu hướng tới độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn cao hơn.