Графит — один из самых сложных материалов для точной классификации. Не потому, что он особенно твёрдый — кальцит и кварц твёрже, — а из-за его формы. Природный графит и большинство искусственных графитовых частиц имеют пластинчатую структуру: плоские, пластинчатые структуры с высоким соотношением сторон. Классификатор, использующий аэродинамическое сопротивление для разделения частиц, считывает как соотношение сторон, так и размер. Плоская графитовая чешуйка с проекционной площадью, эквивалентной сфере диаметром 30 микрон, будет вести себя аэродинамически как гораздо более мелкая сферическая частица. Она проходит через классификатор в поток мелкодисперсного продукта в размере, соответствующем размеру отбракованной частицы.
В результате получается графитовый продукт с более широким диапазоном значений D90 и более высоким значением D97, чем можно было бы ожидать, исходя из настроек классификатора. Это происходит потому, что плоские частицы систематически ошибочно классифицируются как мелкие. Для производства анодного графита, где превышение значения D90 приводит к неравномерной интеркаляции лития и может вызвать растрескивание электрода при высокоскоростной зарядке, это недопустимая ошибка.
В этой статье рассматривается, почему графит сложно классифицировать, а также конкретные целевые значения распределения размеров частиц (PSD) для различных применений анодов. Кроме того, в ней описывается, как настроить классификатор для компенсации ламеллярного поведения графита, и что получается в результате классификации на практике.
Почему графит сложнее классифицировать, чем другие материалы для батарей?
Проблема ламеллярной формы
Классификация частиц по воздуху осуществляется на основе отношения силы аэродинамического сопротивления к массе частицы. Для сферы это отношение четко определено: сопротивление зависит от площади проекции (пропорционально квадрату диаметра), а масса зависит от объема (пропорционально кубу диаметра). Точка отсечения — диаметр частицы, при котором сила сопротивления и центробежная сила уравновешиваются, — предсказуема и постоянна.
Хлопья графита нарушают это соотношение. Частица графита диаметром 25 микрон, измеренная методом лазерной дифракции (которая измеряет эквивалентный сферический диаметр), может иметь фактическую геометрию пластины размером 40 микрон в поперечнике и 5 микрон в толщину. В классификаторе эта частица представляет собой гораздо большую поверхность, обращенную к воздушному потоку, чем сфера диаметром 25 микрон. Сила сопротивления выше. Частица попадает в фракцию мелкого продукта, хотя геометрически она должна находиться в фракции крупного отбракованного материала.
Практический вывод: если установить классификатор на получение значения D90 = 25 микрон на основе расчета точки отсечения для сферического материала, то анодный графит покажет D90 = 30-35 микрон при лазерно-дифракционном анализе продукта. Классификатор работает правильно — он классифицирует по аэродинамическим свойствам. Однако спецификация продукта написана в терминах эквивалентного сферического диаметра, измеренного методом лазерной дифракции, а не аэродинамического диаметра. Чтобы получить значение D90 = 25 микрон для графитового продукта, необходимо установить классификатор значительно более жесткими, чем для эквивалентного сферического материала.
Электростатическая агломерация
Мелкодисперсный графитовый порошок (D50 менее 15 микрон) обладает электропроводностью и накапливает статический заряд в процессе классификации, особенно в сухих условиях при низкой влажности. Заряженные частицы притягиваются друг к другу и образуют мягкие агломераты, которые ведут себя аэродинамически как крупные частицы и попадают в поток крупнозернистых отходов. В результате снижается выход продукции и эффективность классификации — мелкая фракция, которая должна быть продуктом, отбраковывается и рециркулируется.
Для предотвращения электростатической агломерации при классификации графита требуется либо контроль влажности технологического воздуха (относительная влажность 60-70% значительно подавляет накопление статического электричества), либо антистатическое заземление всего технологического оборудования, либо, в некоторых установках, установка слабоионизирующего стержня на входе в классификатор. Ни один из этих вариантов не является стандартным для классификаторов общего назначения — это конструктивные особенности оборудования, предназначенного специально для работы с графитом.
Низкая насыпная плотность и пылеобразование
Природный и искусственный графит имеют насыпную плотность 0,3-0,8 г/см³ — значительно ниже, чем у минеральных наполнителей (карбонат кальция — 0,8-1,2 г/см³, кварц — 1,2-1,5 г/см³). Низкая насыпная плотность означает, что графит легко разжижается и его трудно подавать с контролируемой, постоянной скоростью. Непостоянство скорости подачи напрямую расширяет распределение частиц по размерам: при резком увеличении скорости подачи концентрация частиц в зоне классификации возрастает, а эффективная точка отсечки смещается в сторону более крупных частиц из-за эффекта скученности. Для установки классификатора, предназначенной специально для графита, требуется питатель с регулируемой скоростью подачи — вибрационный или шнековый — с регулятором массового расхода, а не объемный питатель.
Технические характеристики PSD для анодного графита в зависимости от области применения
Не для всех типов анодного графита требуется одинаковый размер частиц. Целевое распределение размеров частиц зависит от формата ячейки, конструкции электрода и электрохимических требований конкретного применения.
| Приложение | Мишень D50 | Мишень D90 | Ключевое требование |
| Природный графит (стандартный анод) | 14-18 мкм | 30-38 мкм | Узкий диапазон; жесткий предел D90 предотвращает растрескивание электрода. |
| Искусственный графит (высокоскоростной анод) | 10-14 мкм | 22-28 мкм | Более плотное распределение частиц по размерам для возможности быстрой зарядки; низкая доля мелких частиц. |
| Сфероидизированный графит (анод премиум-класса) | 15-20 мкм | 32-40 мкм | Очень малый пролет; сферичность в сочетании с контролируемым значением D90. |
| Извлечение отходов обогащения (проводящая добавка) | 5-10 мкм | 15-20 мкм | Мелкодисперсная фракция, полученная в результате сферонизации; пригодна для смешивания. |
| Кремниево-графитовый композитный анод | 6-12 мкм | 18-25 мкм | Соответствует размеру частиц кремния; равномерное распределение в композите. |
Технические характеристики различаются в зависимости от производителя элементов питания и конструкции электродов. Перед установлением параметров классификации необходимо сверить параметры с протоколом входного контроля, предоставленным вашим покупателем.
Спецификация D90 почти всегда является более сложным для выполнения ограничением, чем D50. Значение D50 определяется в основном скоростью вращения классификационного колеса и предсказуемо реагирует на корректировку параметров. D90 сложнее контролировать, поскольку оно представляет собой хвост распределения — частицы, которые достаточно велики, чтобы быть отбракованными классификатором, но иногда проскальзывают из-за эффектов формы, турбулентности или колебаний скорости подачи. Для анодного графита превышение D90 обычно означает небольшое количество слишком крупных пластинчатых частиц, которые в противном случае были бы управляемыми, вызывают дефекты электрода с такой частотой, что это не соответствует требованиям контроля качества производителя ячеек.
Настройка классификатора для анодного графита
Скорость вращения ротора: устанавливается более жестко, чем для сферического материала.
Поскольку пластинчатая морфология графита приводит к тому, что плоские частицы ошибочно попадают в мелкую фракцию, необходимо установить скорость вращения ротора классификатора выше, чем это предполагает расчет для эквивалентного сферического материала, соответствующего целевому значению D90. Практическая отправная точка: для природного графита, целевого значения D90 35 микрон, установите начальную скорость вращения ротора так, как если бы вы целевого значения D90 25-28 микрон для сферического минерала. Затем измерьте фактическое распределение частиц по размерам (PSD) продукта методом лазерной дифракции и пошагово корректируйте параметры, пока измеренное значение D90 не будет соответствовать спецификации.
Задокументируйте этот поправочный коэффициент морфологии для вашего конкретного источника графита и степени кристалличности — он различается для природного чешуйчатого графита, искусственного графита и сфероидизированного графита, поскольку соотношение сторон различно. Технологический процесс, подходящий для одного сорта графита, не будет напрямую применим к другому.
Воздушный поток: баланс сопротивления и центробежной силы для плоских частиц
Увеличение потока воздуха повышает сопротивление всем частицам, что приводит к затягиванию большего количества материала в поток мелкодисперсного продукта. Для пластинчатого графита, где плоские частицы уже имеют повышенное сопротивление, увеличение потока воздуха сверх минимального, необходимого для транспортировки материала, усугубляет проблему неправильной классификации по форме. Поддерживайте поток воздуха на минимальном уровне, обеспечивающем стабильную псевдоожиженность в зоне подачи классификатора — обычно на 10-201 тонну на тонну меньше, чем для аналогичного минерала.
Совокупное воздействие низкой скорости вращения ротора и умеренного воздушного потока создает зону классификации, где центробежное отталкивание преобладает над аэродинамическим сопротивлением для более крупных плоских частиц, что улучшает контроль D90 без ущерба для производительности.
Скорость подачи: поддерживается на стабильном уровне с помощью регулятора массового расхода.
Установите скорость подачи на уровне 60-751 Т/3 тонны от номинальной производительности классификатора для графита — ниже, чем для минеральных материалов эквивалентной тонкости помола, поскольку низкая насыпная плотность графита и его легкая флюидизация делают эффект скученности более выраженным при высоких скоростях подачи. Что еще важнее, поддерживайте постоянную скорость подачи. Практическим стандартом для линий классификации анодного графита является регулятор массового расхода на подающем шнеке с допуском плюс-минус 51 Т/3 тонны от заданного значения. Изменение скорости подачи выше этого допуска отразится на изменении показателя D90 в продукте.
Контроль влажности для получения высококачественных сортов зерна.
Для классификации анодного графита ниже D50 (12 микрон) — диапазона, где электростатическая агломерация становится значительной — эффективным способом подавления статического заряда является кондиционирование технологического воздуха до относительной влажности 60-701 TP3T. Это требует системы увлажнения воздуха на входе в классификатор, что увеличивает стоимость оборудования, но оправдано для непрерывного производства высококачественного анодного графита. В качестве альтернативы, для подавления агломерации без увлажнения можно вводить антистатические добавки в очень малых количествах (0,05-0,11 TP3T по весу) в подаваемый графит, но это должно быть совместимо с химическим составом электродов, используемых в дальнейшем.
| Начальные значения параметров классификации графита Коррекция скорости вращения ротора: Установите значение 15-25% выше, чем расчетное значение для эквивалентного сферического материала при той же целевой температуре D90 — скорректируйте на основе измеренного распределения размеров частиц. Расход воздуха: 10-20% ниже номинальной производительности для эквивалентного минерала; минимум для стабильной псевдоожижения. Скорость подачи: Номинальная производительность классификатора 60-751 ТТ3Т; регулировка с точностью до +/- 51 ТТ3Т с помощью регулятора массового расхода. Влажность (D50 < 12 мкм): Для подавления электростатической агломерации необходимо поддерживать влажность технологического воздуха на уровне 60-701°F (относительная влажность воздуха 3°C). Интервал проверки PSD: Отбирайте пробы каждые 30 минут в течение первых 4 часов для нового сорта графита — графиту требуется больше времени для достижения стационарного состояния, чем минеральным материалам. |
Результаты производства
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1
Анодный материал из природного графита: D90, размер частиц которого уменьшен с 42 до 31 микрона за счет переконфигурации классификатора.
Ситуация
Производитель анодного материала из природного графита постоянно не соответствовал максимальному значению D90, установленному для его заказчика — производителя элементов питания, — в 35 микрон. Входной контроль качества на заводе по производству элементов питания отбраковывал приблизительно 201 TP3T партий. Существующий воздушный классификатор был настроен с параметрами, полученными из стандартных настроек для минералов, предоставленных поставщиком классификатора — скорость вращения ротора и поток воздуха не были скорректированы с учетом ламеллярной морфологии графита. Лазерный дифракционный анализ их продукции показал D50 16,2 микрона (в пределах спецификации), но D90 40-44 микрона (выше предела в 35 микрон) при повторных измерениях.
Что изменилось
Инженер по применению оборудования компании EPIC Powder Machinery провел проверку классификатора и выявил в качестве основной причины скорость вращения ротора: она была установлена на целевой показатель D90 в 35 микрон с использованием расчета сферических частиц, что привело к тому, что фактический показатель D90 продукта оказался на 6-9 микрон шире, чем предполагалось, из-за эффекта ламеллярной морфологии. Скорость вращения ротора была увеличена на 221 TP3T; одновременно поток воздуха был уменьшен на 121 TP3T для предотвращения чрезмерного отбрасывания мелких частиц. Скорость подачи была
Номинальная мощность снижена со 1001 тонны на 3 тонны до 681 тонны на 3 тонны и стабилизирована с помощью регулятора массового расхода.
Результаты
- Д50: 15,8 микрон — практически без изменений по сравнению с предыдущими значениями (медианный размер уже был правильным).
- Д90: 31,2 микрона — уменьшение на 26%, в пределах установленного заказчиком лимита в 35 микрон с запасом.
- Процент отклоненных партий: Снижение показателя с 20% до менее 2% на этапе входящего контроля качества у производителя элементов.
Пропускная способность: Снижено на 14% при новой настройке скорости подачи — принято как необходимый компромисс для соответствия техническим требованиям.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2
Анод из искусственного графита: устранение электростатической агломерации для производства высококачественной продукции.
Ситуация
Производитель искусственного графита выпускал мелкодисперсный анодный материал с целевым размером частиц D50 (11 микрон) и D90 (24 микрона) для высокоскоростных батарей. Выход по классификации составил всего 611 тонн на 3 тонны, что значительно ниже ожидаемых 80-851 тонн на 3 тонны для этого целевого показателя распределения частиц по размерам. Большая часть недостающего материала отбрасывалась в поток грубого возврата, несмотря на то, что измеренные размеры частиц находились в пределах допустимых значений. Электронная микроскопия грубого возврата показала наличие агрегатов мелких частиц графита, слипшихся вместе, а не отдельных частиц большого размера — классическая электростатическая агломерация.
Что изменилось
На входе в классификатор была установлена система увлажнения, которая подготавливала технологический воздух до относительной влажности 65% перед его поступлением в зону классификации. Все металлические поверхности в зоне контакта с продуктом были заземлены. После внедрения системы контроля влажности параметры классификатора были повторно оптимизированы.
Результаты
• Выход классификации: увеличился с 61% до 83% — на 22 процентных пункта — за счет извлечения мелкого материала, который был потерян в результате агломерации.
• D50: 11,4 микрона — в пределах допустимых значений.
• D90: 23,1 микрона — в пределах допустимых значений.
Производственная себестоимость тонны: снижена примерно на 181 тонну на 3 тонны за счет сочетания более высокой производительности и меньшей энергозатрат на рециркуляцию.
| Классификация анода: графит или другой материал батареи? Инженеры-технологи компании EPIC Powder Machinery разрабатывают воздушные классификаторы, специально адаптированные под сложные задачи классификации графита и углеродистых материалов — компенсацию ламеллярной морфологии, управление электростатическим разрядом и производительность твердосортной обработки D90. Мы предлагаем бесплатные пробные классификации вашего графитового сырья и предоставляем полные данные о распределении частиц по размерам (PSD) до принятия решения о приобретении оборудования. Отправьте нам данные о PSD вашего сырья, целевые значения D50 и D90, а также требуемую производительность, и мы порекомендуем подходящую конфигурацию классификатора. Запросите бесплатную пробную версию классификатора: www.powder-air-classifier.com/contact Ознакомьтесь с нашим ассортиментом графитовых классификаторов с анодом: www.powder-air-classifier.com |
Часто задаваемые вопросы
Почему мой графитовый классификатор с анодом выдает более широкое значение D90, чем предсказывают настройки классификатора?
Это наиболее распространенная проблема в классификации графита, и она вызвана слоистой морфологией графитовых частиц. Воздушные классификаторы разделяют частицы на основе аэродинамического поведения — а именно, отношения силы сопротивления к массе частицы. Плоские, пластинчатые графитовые частицы имеют гораздо большую площадь поверхности, обращенную к воздушному потоку, чем сфера с эквивалентным диаметром, определяемым лазерной дифракцией. Это означает, что сила сопротивления непропорционально высока по отношению к их массе.
Эти плоские частицы затягиваются в поток мелкодисперсного продукта, хотя по геометрическим параметрам они должны попадать в фракцию крупных отходов. В результате фактическое значение D90 продукта, измеренное методом лазерной дифракции, на 5-15 микрон шире, чем предсказывает расчет порогового значения классификатора для сферических частиц. Решение состоит в том, чтобы установить скорость вращения ротора классификатора на 15-25% выше. Это значение должно быть больше, чем предполагает расчет эквивалентного сферического материала для вашего целевого значения D90. Затем проверьте это с помощью фактического измерения распределения частиц по размерам и скорректируйте в соответствии с полученными данными.
Какая спецификация D90 типична для анодного материала из природного графита, и насколько строго производители элементов питания ее соблюдают?
Для стандартного анодного материала из природного графита, используемого в потребительских литий-ионных элементах, целевые значения D90 обычно находятся в диапазоне 30-38 микрон, а D50 — около 14-18 микрон. Для высокоскоростных и быстрых зарядных приложений требования ужесточаются: D90 22-28 микрон и D50 10-14 микрон. Производители элементов обычно устанавливают D90 в качестве жесткого параметра входящего контроля качества. Партия, превышающая D90 даже на 2-3 микрона, может быть отбракована. Крупные частицы графита в электроде могут вызывать локальное осаждение металлического лития во время быстрой зарядки. Это представляет собой проблему как с точки зрения емкости, так и безопасности. Допуск D50 обычно шире (плюс-минус 2 микрона), поскольку медианный размер влияет на плотность энергии электрода. Но он менее напрямую связан с режимами отказов безопасности. Если ваши партии соответствуют D50, но не соответствуют D90, наиболее вероятной причиной является описанная выше проблема неправильной классификации ламелл.
Эпический порошок
Эпический порошокБолее 20 лет опыта в индустрии ультратонких порошков. Активно содействуем развитию ультратонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации ультратонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! Наша команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимальной эффективности обработки ваших порошков. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошков!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Эмили Чен, Инженер
