Introduktion
Tjære spiller en afgørende rolle i produktionen af grafitanodematerialer af batterikvalitet. Under pyrolysen ved høje temperaturer karboniseres tjæren og hjælper med at forme anodepartiklerne. Tjærens blødgøringspunkt bestemmer det temperaturvindue, inden for hvilket materialet kan gøres tilstrækkeligt flydende til at sikre en homogen fordeling i kompositmaterialet. Jo højere tjærens blødgøringspunkt er, desto mere homogen bliver belægningen. Efter termisk behandling forbliver den resulterende kulstofholdige rest dimensionelt stabil og har den nødvendige termiske og kemiske resistens, hvilket er afgørende for driften af anoder i højtemperaturprocesser [1]. Både pyrolyseprocessen og blødgøringspunktet kan undersøges ved hjælp af termisk analyse. Fire forskellige tjæretyper blev sammenlignet med hensyn til deres egnethed til fremstilling af anodemateriale.
Metoder og prøveforberedelse
De termogravimetriske målinger til undersøgelse af pyrolyseprocessen blev udført med NETZSCH TG Libra®. De målebetingelser, der er anført i tabel 1, blev anvendt. DSC-målinger blev udført med NETZSCH DSC Caliris® for at bestemme tjæreprøvernes FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange og blødgøringstemperatur.
Tabel 1: Målebetingelser for TGA-målinger på forskellige pitchprøver
| Masse af prøve | 10 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Digel | 85 μl aluminiumoxid, åben |
| Opvarmningshastighed | 10 K/min |
| Temperaturprogram | 40 til 900 °C i nitrogen; 900 til 1100 °C i luft |
| Flow af udrensningsgas | 40 ml/min |
Tabel 2: Målebetingelser for DSC-analyse af de forskellige tjæretyper
| Masse af prøve | 6 ± 0,1 mg |
|---|---|
| Digel | Al, Concavus® type, koldsvejset med gennembrudt låg |
| Opvarmnings-/afkølingshastigheder | 10 K/min |
| Flow af udrensningsgas | 40 ml/min |
| Spulegas | Nitrogen |
| Temperaturområde | 40 til 140°C / 200°C |
| Antal opvarmninger | 2 |
Resultater og diskussion
De termogravimetriske målinger blev udført under inerte forhold i temperaturområdet mellem 200 °C og 550 °C og viser et enkelt massetabstrin for hver af tjæreprøverne. Masseændringerne varierer mellem 47,5 % og 65,5 %. Dette indikerer, at indholdet af organiske komponenter, der pyrolyseres i dette temperaturområde, er forskelligt.
Når man skifter til en oxiderende atmosfære, starter forbrændingen af kulstofindholdet. Kulstofindholdet i prøverne varierede mellem 34,4 % og 52,4 %. Den resterende restmasse kaldes for askeindholdet. Her viste de fire prøver kun meget små forskelle.
Ud over kulstofindholdet og askeindholdet i tjæreprøverne spiller den termiske stabilitet også en afgørende rolle. Den maksimale massetabsrate (DTG-toppen) eller den ekstrapolerede begyndelsestemperatur kan bruges til at sammenligne de forskellige prøvers termiske stabilitet. Når man ser på disse værdier i figur 1, kan man se, at prøve A viser den højeste termiske stabilitet og prøve B den laveste.
Ved hjælp af termogravimetri kan forskellige tjæreprøver derfor analyseres med hensyn til deres kulstofudbytte under PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse, deres Indhold af askeAsken er et mål for indholdet af mineralske oxider på vægtbasis. Termogravimetrisk analyse (TGA) i en oxidativ atmosfære er en velafprøvet metode til at bestemme den uorganiske rest, almindeligvis kaldet aske, i organiske materialer som polymerer, gummi osv. Derfor vil TGA-målingen Identify, hvis et materiale er fyldt og beregner det samlede fyldstofindhold. askeindhold og deres termiske stabilitet. Det var derfor muligt at fastslå, at prøve A både havde det højeste kulstofindhold og den højeste termiske stabilitet.
Ud over den termogravimetriske analyse blev tjæretyperne også undersøgt med DSC-analyse med hensyn til mulige kaloriske effekter, såsom glasovergang eller Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning. De målte DSC-kurver for den første og anden opvarmning kan ses i figur 2. Sammenligning af diglernes masse før og efter DSC-analysen viste, at prøvemasserne forblev stabile under DSC-processen. Ved den første opvarmning viser tjære D, C og B en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm top ved 78,1 °C, 68,3 °C og 67,1 °C. Tjære A viser ikke en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm top. Her kan man dog se et let eksotermt forløb mellem 130 °C og 190 °C. Efter kontrolleret afkøling og genopvarmning viser prøverne en anden opførsel end ved den første opvarmning, da de endoterme toppe ikke længere forekommer under den anden opvarmning. Dette er muligvis en afslapningseffekt. Den endoterme top kan give et vist indblik i materialets termiske historie.
Under den anden opvarmning blev der kun registreret én glasovergang for hver prøve. Tjære B har den laveste glasovergangstemperatur på 44 °C. For tjæretyperne C og D er den lidt højere med henholdsvis 50 °C og 71 °C. Prøve A viser den højeste glasovergangstemperatur ved 147 °C.
Ved hjælp af DSC var det muligt at Identify klare forskelle i glasovergangstemperaturerne og forbehandlingen af prøverne. Prøve A skiller sig også ud her med lav restspænding og den højeste glasomdannelsestemperatur.
Sammenfatning
TGA- og DSC-analyser er velegnede metoder til omfattende identifikation af forskellige tjæretyper med hensyn til deres egnethed til batteriproduktion. Ved hjælp af disse teknikker var det muligt at bestemme en række egenskaber såsom Termisk stabilitetEt materiale er termisk stabilt, hvis det ikke nedbrydes under påvirkning af temperaturen. En måde at bestemme et stofs termiske stabilitet på er at bruge en TGA (termogravimetrisk analysator). termisk stabilitet, kulstofindhold, Indhold af askeAsken er et mål for indholdet af mineralske oxider på vægtbasis. Termogravimetrisk analyse (TGA) i en oxidativ atmosfære er en velafprøvet metode til at bestemme den uorganiske rest, almindeligvis kaldet aske, i organiske materialer som polymerer, gummi osv. Derfor vil TGA-målingen Identify, hvis et materiale er fyldt og beregner det samlede fyldstofindhold. askeindhold, termomekanisk historie og egenskaber ved glasovergangen.
Disse oplysninger kan ikke kun bruges til at kontrollere producentens specifikationer under indgående vareinspektion, men også til at optimere formuleringer og select egnede råmaterialer. Identifikationen af et egnet udgangsstof i opløbet til batteriproduktionen påvirker kvaliteten af slutprodukterne og øger effektiviteten af fremstillingsprocessen.