Wat zijn de belangrijkste aandachtspunten van de indexvereisten voor gegrafiteerde petroleumcokes in verschillende toepassingsgebieden (zoals anodes voor lithiumbatterijen en kathodes voor aluminium)?

Verschillende indexvereisten voor gegrafiteerde petroleumcokes in twee belangrijke toepassingsgebieden: anodes voor lithium-ionbatterijen en kathodes voor aluminium.

De indexvereisten voor gegrafiteerde petroleumcokes vertonen aanzienlijke verschillen in chemische samenstelling, fysieke structuur en elektrochemische prestaties tussen anodes van lithium-ionbatterijen en aluminiumkathodes. De belangrijkste prioriteiten worden als volgt samengevat:

I. Anodes van lithium-ionbatterijen: Elektrochemische prestaties als kern, met aandacht voor structurele stabiliteit

1. Laag zwavelgehalte (<0,5%)
   Zwavelresten kunnen tijdens de grafitisatie kristalkrimp en -expansie veroorzaken, wat tot elektrodebreuk kan leiden. Bovendien kan zwavel bij hoge temperaturen gassen vrijgeven, waardoor de vaste elektrolyt-interfase (SEI)-film beschadigd raakt en onomkeerbaar capaciteitsverlies optreedt. Zo schrijft GB/T 24533-2019 bijvoorbeeld strenge controles voor op het zwavelgehalte van grafiet dat wordt gebruikt in anodes van lithium-ionbatterijen.
2. Laag asgehalte (≤0,15%)
   Metaalverontreinigingen in de as (bijv. natrium, ijzer) katalyseren de ontleding van het elektrolyt, waardoor de batterij sneller degradeert. Natriumverontreinigingen kunnen ook oxidatie van de honingraatstructuur van de anode veroorzaken, wat de levensduur verkort. Hoogzuiver grafiet vereist een "drievoudig" proces (hoge temperatuur, hoge druk, zeer zuivere grondstoffen) om het asgehalte onder de 0,15% te brengen.
3. Hoge kristalliniteit en georiënteerde rangschikking
   • Hoge werkelijke dichtheid: weerspiegelt de kristalliniteit van grafiet; een hogere werkelijke dichtheid zorgt voor geordende kanalen voor de insertie/extractie van lithiumionen, wat de prestaties verbetert.
   • Lage thermische uitzettingscoëfficiënt: Naaldcokes, met zijn vezelachtige structuur, heeft een 30% lagere thermische uitzettingscoëfficiënt dan sponscokes, waardoor de volumetoename tijdens laad-/ontlaadcycli wordt geminimaliseerd (bijvoorbeeld anisotroop grafiet zet uit langs de C-as, wat leidt tot zwelling van de batterij).
4. Evenwichtige deeltjesgrootte en specifiek oppervlak
   • Brede deeltjesgrootteverdeling: Geoptimaliseerde D10-, D50- en D90-parameters zorgen ervoor dat kleinere deeltjes de holtes tussen grotere deeltjes opvullen, waardoor de stortdichtheid verbetert (een hogere stortdichtheid verhoogt de hoeveelheid actief materiaal per volume-eenheid, hoewel een te hoge dichtheid de bevochtigbaarheid van het elektrolyt vermindert).
   • Matig specifiek oppervlak: Een groot specifiek oppervlak (>10 m²/g) verkort de migratiepaden van lithiumionen, wat de prestaties bij hoge laadsnelheden verbetert, maar vergroot het oppervlak van de SEI-film, waardoor de initiële coulombische efficiëntie (ICE) afneemt.
5. Hoge initiële coulombische efficiëntie (≥92,6%)
   Het minimaliseren van het lithiumverbruik tijdens de SEI-vorming gedurende de eerste laad-/ontlaadcyclus is cruciaal voor het behoud van een hoge energiedichtheid. Normen vereisen een initiële ontlaadcapaciteit van ≥350,0 mAh/g en een ICE van ≥92,6%.

II. Aluminiumkathodes: Geleidbaarheid en thermische schokbestendigheid als belangrijkste prioriteiten

1. Gefaseerde controle van het zwavelgehalte
   • Cokes met een laag zwavelgehalte (S < 0,8%): Wordt gebruikt in hoogwaardige grafietelektroden om door zwavel veroorzaakte gasvorming en scheurvorming tijdens de staalproductie te voorkomen, waardoor het staalverbruik per ton wordt verminderd (bijvoorbeeld: één bedrijf verminderde het anodeverbruik met 12% door het gebruik van cokes met een laag zwavelgehalte).
   • Cokes met een gemiddeld zwavelgehalte (S 2%–4%): Geschikt voor anodes voor aluminiumelektrolyse, met een goede balans tussen kosten en prestaties.
2. Hoge astolerantie (met specifieke onzuiverheidsbeheersing)
   Het vanadiumgehalte in de as moet ≤0,03% zijn om periodieke dalingen in de stroomrendement van de aluminiumelektrolyse te voorkomen. Natriumverontreinigingen vereisen strikte controle om oxidatie van de anodestructuur te voorkomen.
3. Hoge kristalliniteit en thermische schokbestendigheid
   Naaldcokes heeft de voorkeur vanwege de vezelachtige structuur, die zorgt voor een hoge dichtheid, sterkte, lage slijtage en uitstekende thermische schokbestendigheid, waardoor het bestand is tegen frequente temperatuurschommelingen tijdens de elektrolyse van aluminium. Een lage thermische uitzettingscoëfficiënt minimaliseert structurele schade en verlengt de levensduur van de kathode.
4. Deeltjesgrootte en mechanische sterkte
   • Klonten hebben de voorkeur: dit vermindert het gehalte aan poedercokes om breuk tijdens transport en calcinatie te voorkomen en de mechanische robuustheid te garanderen.
   • Hoog percentage gecalcineerde cokes: 70% gecalcineerde cokes wordt gebruikt in anodes voor aluminiumelektrolyse om de geleidbaarheid en corrosiebestendigheid te verbeteren.
5. Hoge elektrische geleidbaarheid
   Naaldcokeselektroden kunnen stromen tot 100.000 A geleiden, waardoor een staalproductie-efficiëntie van 25 minuten per oven wordt bereikt en een geleidbaarheid die drie keer hoger is dan die van conventionele cokes, wat het energieverbruik aanzienlijk verlaagt.

III. Samenvatting van de belangrijkste verschillen

IV. Trends in de sector

• Lithium-ion-batterij-anodes: Nieuwe nucleair gestructureerde cokes (radiale textuur) en met pek gemodificeerde gecalcineerde cokes (die de levensduur van harde koolstofanodes verlengen) zijn opkomende onderzoeksthema's om de energiedichtheid en de cyclusprestaties verder te optimaliseren.
• Aluminiumkathodes: De groeiende vraag naar grootschalige naaldcokeselektroden van 750 mm en cokes met een gemiddeld zwavelgehalte voor het slijpen van siliciumcarbide stimuleert de materiaalontwikkeling richting een hogere geleidbaarheid en slijtvastheid.