Wissen Sie, welche Anwendungsszenarien Karbonisierungsöfen im Bereich der neuen Energien haben? I. Überblick über die Karbonisierungsofentechnologie als Hochtemperaturverarbeitungsgerät, die Karbonisierung

Wissen Sie, welche Einsatzszenarien Karbonisierungsöfen im Bereich der neuen Energien haben?

I. Überblick über die Karbonisierungsofentechnologie

Als Hochtemperatur-Verarbeitungsgerät spielt der Schwelofen eine immer wichtigere Rolle im Bereich der neuen Energien. Seine Kernfunktion besteht darin, organische Vorläufer durch einen Hochtemperatur-Pyrolyseprozess in Kohlenstoffmaterialien mit spezifischen Eigenschaften umzuwandeln. Moderne Karbonisierungsöfen können unter inerten Atmosphären wie Stickstoff oder Argon typischerweise einen kontrollierbaren Temperaturbereich von 500 bis 3000 °C erreichen und so den Karbonisierungsanforderungen verschiedener Materialien gerecht werden.

Zu den Schlüsselparametern des Karbonisierungsprozesses gehören die Aufheizgeschwindigkeit, die maximale Temperatur, die Haltezeit und die Abkühlmethode usw. Diese Faktoren wirken sich direkt auf die Mikrostruktur und Leistung des Endprodukts aus. Mit der rasanten Entwicklung neuer Energietechnologien wird die Ausrüstung von Karbonisierungsöfen ständig verbessert, und es sind neue Konstruktionen wie kontinuierliche Karbonisierungsöfen und mikrowellenunterstützte Karbonisierungsöfen entstanden, um den Anforderungen der Massenproduktion und der Vorbereitung spezieller Materialien gerecht zu werden.

Ii. Vorbereitung von Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien sind Karbonisierungsöfen eine Schlüsselausrüstung zur Herstellung leistungsstarker Anodenmaterialien. Anodenmaterialien auf Graphitbasis müssen karbonisiert werden, um die Vorläufer (wie Petrolkoks, Nadelkoks usw.) in Kohlenstoffmaterialien mit geeigneten Kristallstrukturen umzuwandeln.

Künstliche Graphitproduktion: Rohstoffe wie Petrolkoks werden in einem Hochtemperaturofen bei über 2800 °C einer Graphitisierungsbehandlung unterzogen, wodurch Graphitmaterialien mit einer hochgeordneten Schichtstruktur entstehen. Dieses Material verfügt über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Zyklenstabilität und ist derzeit eines der gängigsten Anodenmaterialien.

Herstellung von Hartkohlenstoff-/Weichkohlenstoffmaterialien: Biomasse- oder Polymervorläufer werden in einem Karbonisierungsofen bei 1000–1600 °C bei mittlerer Temperatur pyrolysiert, um eine ungeordnete Kohlenstoffstruktur zu bilden. Diese Art von Material weist einen großen Zwischenschichtabstand auf, der die schnelle Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen begünstigt und sich besonders für Anwendungsszenarien mit hoher Geschwindigkeit eignet.

Behandlung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen: Um das Problem der Volumenausdehnung siliziumbasierter Materialien anzugehen, werden Karbonisierungsöfen verwendet, um eine Kohlenstoffbeschichtungsschicht auf der Oberfläche von Siliziumpartikeln zu bilden. Dadurch wird nicht nur die elektrische Leitfähigkeit verbessert, sondern auch Volumenänderungen abgefedert, was die Zyklenlebensdauer deutlich verlängert.

III. Verarbeitung von Schlüsselmaterialien für Brennstoffzellen

Auch im Bereich der Brennstoffzellen finden Karbonisierungsöfen bedeutende Anwendungen, insbesondere bei der Materialaufbereitung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC):

Behandlung des Katalysatorträgers: Der üblicherweise in Brennstoffzellenkathoden verwendete Platin-Kohlenstoff-Katalysator erfordert einen Kohlenstoffträger mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Der Karbonisierungsofen dient der Umwandlung organischer Vorläufer in leitfähige Kohlenstoffträger mit ausgeprägten Porenstrukturen. Die Oberflächeneigenschaften und Porenstrukturen dieser Träger haben entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Katalysators.

Bipolarplattenproduktion: Graphit-Bipolarplatten sind eine der Kernkomponenten von PEMFC. Die elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit von Materialien können durch die Behandlung im Karbonisierungsofen verbessert werden, wodurch die langfristigen Betriebsanforderungen von Brennstoffzellenstapeln erfüllt werden.

Vorbereitung von SOFC-Elektrodenmaterialien: Für Festoxid-Brennstoffzellen können Karbonisierungsöfen zur Herstellung von Elektrodenmaterialien auf Nickelbasis oder Perowskit-Typ mit spezifischer Porosität und leitfähigen Netzwerken verwendet werden, wodurch die Dreiphasenschnittstelle und die Gasübertragungskanäle optimiert werden.

Vakuumkarbonisierungsofen

IV. Entwicklung von Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren

Als wichtiger Energiespeicher hängt die Leistung von Superkondensatoren weitgehend von den Eigenschaften der Elektrodenmaterialien ab. Zu den Hauptanwendungen von Karbonisierungsöfen in diesem Bereich gehören:

Aktivkohleaufbereitung: Durch die präzise Steuerung der Karbonisierungstemperatur und -zeit werden Biomasse (z. B. Kokosnussschalen, Holz) oder synthetische Vorprodukte in Aktivkohlematerialien mit einer extrem hohen spezifischen Oberfläche (bis zu 3000 m²/g) umgewandelt. Diese Art von Material ist eine ideale Elektrode für Doppelschichtkondensatoren.

Materialbehandlung auf Graphenbasis: Graphenoxid kann sein leitfähiges Netzwerk wiederherstellen, nachdem es in einem Karbonisierungsofen reduziert wurde. In der Zwischenzeit können durch Anpassung der Prozessparameter geeignete funktionelle Gruppen und Defekte eingeführt werden, um die kapazitive Leistung und die Geschwindigkeitskapazität des Materials auszugleichen.

Mit Heteroatomen dotierte Kohlenstoffmaterialien: Die Einführung von Heteroatomen wie Stickstoff, Schwefel und Phosphor während des Karbonisierungsprozesses kann die elektronische Struktur und die chemischen Oberflächeneigenschaften von Kohlenstoffmaterialien erheblich verändern und deren Pseudokapazitätseigenschaften verbessern.

V. Anwendung von Photovoltaik- und Energiespeichersystemen

Herstellung von photovoltaischen Siliziummaterialien: Bei der Herstellung von polykristallinem Silizium werden Karbonisierungsöfen verwendet, um Silizium in metallurgischer Qualität zu reinigen und Verunreinigungen durch hohe Temperaturen zu entfernen. Darüber hinaus kommt Siliziumkarbid (SiC) als Halbleitermaterial der dritten Generation auch bei der Herstellung nicht ohne Hochtemperatur-Karbonisierungsprozesse aus.

Verpackung von Phasenwechsel-Energiespeichermaterialien: Die im Karbonisierungsofen hergestellten porösen Kohlenstoffmaterialien können als Stützgerüst für Phasenwechselmaterialien dienen, das Problem der Flüssigphasenleckage lösen und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten, und werden in solarthermischen Speichersystemen eingesetzt.

Optimierung thermoelektrischer Materialien: Einige thermoelektrische Materialien wie Bleiselenid müssen einer Karbonisierungsbehandlung unterzogen werden, um ihre Trägerkonzentration und Korngrenzeneigenschaften zu regulieren und dadurch die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung zu verbessern.

Sechs. Hauptakteure in der Wasserstoff-Energieindustriekette

Herstellung von Wasserstoffspeichermaterialien: Kohlenstoffbasierte Wasserstoffspeichermaterialien wie Aktivkohlefasern und Kohlenstoffnanoröhren müssen ihre Porenstruktur und Oberflächeneigenschaften durch präzise kontrollierte Karbonisierungsprozesse optimieren, um die Wasserstoffspeicherkapazität zu erhöhen.

Katalysatorträger für elektrolytisches Wasser: Das im Karbonisierungsofen vorbereitete stickstoffdotierte Kohlenstoffmaterial kann als effizienter Träger für Katalysatoren für die Produktion von elektrolytischem Wasser und Wasserstoff dienen und ein stabiles leitfähiges Netzwerk und aktive Stellen bereitstellen.

Vorbehandlung für die Wasserstoffproduktion aus Biomasse: Im Prozess der Wasserstoffproduktion durch Biomassevergasung kann der Karbonisierungsofen für die Vorkarbonisierungsbehandlung von Rohstoffen verwendet werden, wodurch die anschließende Vergasungseffizienz und die Wasserstoffproduktionsrate verbessert werden.

Vii. Neue Anwendungen und zukünftige Trends

Mit der kontinuierlichen Entwicklung neuer Energietechnologien erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten von Schwelöfen stetig:

Natrium-Ionen-Batteriematerialien: Natrium-Ionen-Batterien sind ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, jedoch zu geringeren Kosten, auf eine Optimierung des Karbonisierungsprozesses für ihre Anodenmaterialien aus hartem Kohlenstoff angewiesen.

Lithium-Schwefel-Batterieseparator: Das durch Karbonisierung hergestellte poröse Kohlenstoffmaterial kann als funktioneller Separator für Lithium-Schwefel-Batterien verwendet werden, um den Shuttle-Effekt von Polysulfiden zu unterdrücken.

Optimierung der Festelektrolytschnittstelle: Durch die Karbonisierungsbehandlung kann eine stabile Grenzflächenschicht auf der Oberfläche von Festelektrolyten gebildet werden, wodurch die Grenzflächenimpedanz verringert wird.

In der Zukunft wird sich die Technologie der Karbonisierungsöfen in Richtung einer präziseren Steuerung, einer Produktion in größerem Maßstab und einem geringeren Energieverbrauch weiterentwickeln. Neue Technologien wie die Mikrowellenkarbonisierung und die plasmaunterstützte Karbonisierung werden die Materialleistung weiter verbessern und die Verarbeitungszeit verkürzen. Unterdessen wird das intelligente Steuerungssystem die Digitalisierung und Rückverfolgbarkeit des Karbonisierungsprozesses erreichen und so die strengen Anforderungen der neuen Energiebranche an die Materialkonsistenz erfüllen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Karbonisierungsofen als Kerngerät für die Herstellung neuer Energiematerialien in mehreren Schlüsselbereichen wie Energiespeicherung, Stromerzeugung und Wasserstoffenergie eingesetzt wird. Mit der Weiterentwicklung des CO2-Neutralitätsziels wird die Karbonisierungsofentechnologie weiterhin innovativ sein und effizientere und umweltfreundlichere Materiallösungen für die neue Energiebranche bereitstellen.