Въведение
Катранът играе ключова роля в производството на графитни анодни материали за батерии. По време на пиролизата при високи температури катранът се карбонизира и помага за оформянето на анодните частици. Точката на омекване на катрана определя температурния прозорец, в който материалът може да бъде достатъчно втечнен, за да се осигури хомогенното му разпределение в композитния материал. Колкото по-висока е точката на омекване на катрана, толкова по-хомогенно е покритието. След термична обработка полученият въгленов остатък остава стабилен по отношение на размерите и притежава необходимата термична и химическа устойчивост, което е от съществено значение за работата на анодите при високотемпературни процеси [1]. Както процесът на пиролиза, така и точката на омекване могат да бъдат изследвани чрез термичен анализ. Четири различни вида катран бяха сравнени по отношение на тяхната пригодност за производство на аноден материал.
Методи и подготовка на пробите
Термогравиметричните измервания за изследване на процеса на пиролиза бяха извършени с NETZSCH TG Libra®. Бяха приложени условията на измерване, изброени в таблица 1. DSC измерванията бяха извършени с NETZSCH DSC Caliris® за определяне на фазовите преходи и температурата на омекване на катранените проби.
Таблица 1: Условия на измерване за TGA измервания на различни проби от смола
| Маса на образеца | 10 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Тигел | 85 μl алуминиев оксид, отворен |
| Скорост на нагряване | 10 K/min |
| Температурна програма | 40 до 900°C в азот; 900 до 1100°C във въздух |
| Поток на прочистващ газ | 40 ml/min |
Таблица 2: Условия на измерване за DSC анализ на различните видове катран
| Маса на пробата | 6 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Тигел | Al, тип Concavus®, студено заварен с пробит капак |
| Скорост на нагряване/охлаждане | 10 K/min |
| Поток на прочистващ газ | 40 ml/min |
| Газ за продухване | Азот |
| Температурен диапазон | 40 до 140°C / 200°C |
| Брой загрявания | 2 |
Резултати и обсъждане
Термогравиметричните измервания са проведени при инертни условия в температурния диапазон между 200°C и 550°C и показват една-единствена стъпка на загуба на маса за всяка от смолните проби. Промените в масата варират между 47,5 % и 65,5 %. Това показва, че съдържанието на органичните компоненти, които се пиролизират в този температурен диапазон, е различно.
Преминаването към окислителна атмосфера инициира изгаряне на въглеродното съдържание. Съдържанието на въглерод в пробите варира между 34,4 % и 52,4 %. Останалата остатъчна маса се нарича съдържание на пепел. Тук четирите проби показват само много малки разлики.
В допълнение към съдържанието на въглерод и пепел в пробите от катран, решаваща роля играе и термичната стабилност. Максималната скорост на загуба на маса (DTG пик) или екстраполираната температура на настъпване могат да се използват за сравняване на термичната стабилност на различните проби. При разглеждане на тези стойности на фигура 1 се вижда, че проба А показва най-висока термична стабилност, а проба В - най-ниска.
Следователно с помощта на термогравиметрията могат да се анализират различни проби от катран по отношение на техния добив на въглерод по време на пиролиза, съдържанието на пепел и термичната им стабилност. Следователно е възможно да се определи, че проба А има както най-високо съдържание на въглерод, така и най-висока термична стабилност.
В допълнение към термогравиметричния анализ, видовете катран бяха изследвани и с DSC анализ по отношение на възможни калорични ефекти, като например стъклопреход или топене. Измерените DSC криви от първото и второто нагряване могат да се видят на фигура 2. Сравняването на масите на тигелите преди и след DSC анализа доказа, че масите на пробите остават стабилни по време на DSC процеса. При първото нагряване катраните D, C и B показват ендотермичен пик при 78,1 °C, 68,3 °C и 67,1 °C. Катран А не показва ендотермичен пик. Тук обаче се наблюдава леко екзотермичен процес между 130°C и 190°C. След контролирано охлаждане и повторно нагряване пробите показват различно поведение от това при първото нагряване, тъй като при второто нагряване вече не се наблюдават ендотермични пикове. Това вероятно е ефект на релаксация. Ендотермичният пик може да даде известна представа за термичната история на материала.
По време на второто нагряване за всяка проба беше открит само един стъклен преход. При 44°C катранът В има най-ниската температура на встъкляване. За катраните от типове C и D тя е малко по-висока - съответно 50°C и 71°C. Образец А показва най-висока температура на встъкляване при 147°C.
С помощта на DSC беше възможно да се Identify ясни разлики в температурите на встъкляване и предварителната обработка на пробите. Образец А се отличава и тук с ниско остатъчно напрежение и най-висока температура на встъкляване.
Резюме
Анализите TGA и DSC са подходящи методи за цялостно идентифициране на различните видове катран по отношение на тяхната пригодност за производство на батерии. С помощта на тези методи беше възможно да се определят различни свойства, като термична стабилност, съдържание на въглерод, съдържание на пепел, термомеханична история и характеристики на стъкловидния преход.
Тази информация може да бъде използвана не само за проверка на спецификациите на производителя по време на входящия контрол на стоките, но и за оптимизиране на формулите и select подходящи суровини. Идентифицирането на подходящо изходно вещество при подготовката за производство на батерии влияе върху качеството на крайните продукти и повишава ефективността на производствения процес.