¿Sabe qué escenarios de aplicación tienen los hornos de carbonización en el campo de las nuevas energías? I. Descripción general de la tecnología de los hornos de carbonización como dispositivo de procesamiento a alta temperatura, la carbonización

¿Sabes qué escenarios de aplicación tienen los hornos de carbonización en el campo de las nuevas energías?

I. Descripción general de la tecnología de los hornos de carbonización

Como dispositivo de procesamiento a alta temperatura, el horno de carbonización desempeña un papel cada vez más importante en el campo de las nuevas energías. Su función principal es convertir precursores orgánicos en materiales de carbono con propiedades específicas mediante un proceso de pirólisis a alta temperatura. Los hornos de carbonización modernos normalmente pueden alcanzar un rango de temperatura controlable de 500 a 3000 ℃ bajo atmósferas inertes como nitrógeno o argón, cumpliendo con los requisitos de carbonización de diversos materiales.

Los parámetros clave del proceso de carbonización incluyen la velocidad de calentamiento, la temperatura máxima, el tiempo de mantenimiento y el método de enfriamiento, etc. Estos factores afectan directamente la microestructura y el rendimiento del producto final. Con el rápido desarrollo de nuevas tecnologías energéticas, los equipos de los hornos de carbonización se actualizan constantemente y han surgido nuevos diseños, como los hornos de carbonización continua y los hornos de carbonización asistidos por microondas, para satisfacer las demandas de la producción a gran escala y la preparación de materiales especiales.

II. Preparación de materiales anódicos para baterías de iones de litio

En el campo de las baterías de iones de litio, los hornos de carbonización son equipos clave para producir materiales anódicos de alto rendimiento. Los materiales anódicos a base de grafito deben carbonizarse para convertir los precursores (como coque de petróleo, coque de aguja, etc.) en materiales de carbono con estructuras cristalinas adecuadas.

Producción de grafito artificial: las materias primas como el coque de petróleo se someten a un tratamiento de grafitización en un horno de carbonización de alta temperatura por encima de 2800 ℃, formando materiales de grafito con una estructura en capas altamente ordenada. Este material tiene una excelente conductividad eléctrica y estabilidad cíclica y es uno de los principales materiales anódicos en la actualidad.

Preparación de materiales de carbono duro/carbono blando: los precursores de biomasa o polímeros se pirolizan en un horno de carbonización de temperatura media a 1000-1600 ℃ para formar una estructura de carbono desordenada. Este tipo de material tiene un gran espacio entre capas, lo que favorece la rápida intercalación y desintercalación de iones de litio, y es particularmente adecuado para escenarios de aplicaciones de alta velocidad.

Tratamiento de material compuesto de silicio-carbono: para abordar el problema de la expansión de volumen de los materiales a base de silicio, se utilizan hornos de carbonización para formar una capa de recubrimiento de carbono en la superficie de las partículas de silicio. Esto no sólo mejora la conductividad eléctrica sino que también amortigua los cambios de volumen, extendiendo significativamente el ciclo de vida.

III. Procesamiento de materiales clave para pilas de combustible

Los hornos de carbonización también tienen importantes aplicaciones en el campo de las pilas de combustible, especialmente en la preparación de materiales de pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) y pilas de combustible de óxido sólido (SOFC):

Tratamiento con portador de catalizador: el catalizador de platino-carbono comúnmente utilizado en los cátodos de pilas de combustible requiere un portador de carbono con una superficie específica alta. El horno de carbonización se utiliza para convertir precursores orgánicos en portadores de carbono conductores con estructuras porosas bien desarrolladas. Las propiedades superficiales y las estructuras de los poros de estos soportes influyen decisivamente en el rendimiento del catalizador.

Producción de placas bipolares: las placas bipolares de grafito son uno de los componentes principales de PEMFC. La conductividad eléctrica, la resistencia a la corrosión y la resistencia mecánica de los materiales se pueden mejorar mediante el tratamiento en hornos de carbonización, satisfaciendo los requisitos de funcionamiento a largo plazo de las pilas de pilas de combustible.

Preparación de materiales para electrodos SOFC: Para celdas de combustible de óxido sólido, se pueden utilizar hornos de carbonización para preparar materiales para electrodos a base de níquel o tipo perovskita con porosidad y redes conductoras específicas, optimizando la interfaz trifásica y los canales de transmisión de gas.

Horno de carbonización al vacío

IV. Desarrollo de materiales de electrodos para supercondensadores

Como importante dispositivo de almacenamiento de energía, el rendimiento de los supercondensadores depende en gran medida de las características de los materiales de los electrodos. Las principales aplicaciones de los hornos de carbonización en este campo incluyen:

Preparación de carbón activado: Controlando con precisión la temperatura y el tiempo de carbonización, la biomasa (como cáscaras de coco, madera) o precursores sintéticos se transforman en materiales de carbón activado con una superficie específica extremadamente alta (hasta 3000 m²/g). Este tipo de material es un electrodo ideal para condensadores de doble capa.

Tratamiento de material a base de grafeno: el óxido de grafeno puede restaurar su red conductora después de reducirse en un horno de carbonización. Mientras tanto, al ajustar los parámetros del proceso, se pueden introducir grupos funcionales y defectos apropiados para equilibrar el rendimiento capacitivo y la capacidad nominal del material.

Materiales de carbono dopados con heteroátomos: la introducción de heteroátomos como nitrógeno, azufre y fósforo durante el proceso de carbonización puede alterar significativamente la estructura electrónica y las propiedades químicas de la superficie de los materiales de carbono, mejorando sus características de pseudocapacitancia.

V. Aplicación de Sistemas Fotovoltaicos y de Almacenamiento de Energía

Producción de materiales de silicio fotovoltaico: en el proceso de preparación de silicio policristalino, se utilizan hornos de carbonización para purificar el silicio de grado metalúrgico y eliminar elementos impuros a través de altas temperaturas. Además, como material semiconductor de tercera generación, la preparación de carburo de silicio (SiC) tampoco puede prescindir de procesos de carbonización a alta temperatura.

Embalaje de material de almacenamiento de energía de cambio de fase: Los materiales de carbono porosos preparados en el horno de carbonización pueden servir como marco de soporte para materiales de cambio de fase, resolviendo el problema de la fuga de fase líquida manteniendo una buena conductividad térmica, y se aplican en sistemas de almacenamiento solar térmico.

Optimización de materiales termoeléctricos: algunos materiales termoeléctricos, como el seleniuro de plomo, necesitan someterse a un tratamiento de carbonización para regular la concentración de portadores y las características de los límites de grano, mejorando así la eficiencia de la conversión termoeléctrica.

Seis. Actores clave en la cadena industrial de la energía del hidrógeno

Preparación de materiales de almacenamiento de hidrógeno: Los materiales de almacenamiento de hidrógeno a base de carbono, como las fibras de carbón activado y los nanotubos de carbono, deben optimizar su estructura de poros y sus propiedades superficiales mediante procesos de carbonización controlados con precisión para mejorar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno.

Portador de catalizador de agua electrolítica: el material de carbono dopado con nitrógeno preparado en el horno de carbonización puede servir como un portador eficiente para los catalizadores de producción de hidrógeno en agua electrolítica, proporcionando una red conductora estable y sitios activos.

Pretratamiento para la producción de hidrógeno a partir de biomasa: En el proceso de producción de hidrógeno por gasificación de biomasa, el horno de carbonización se puede utilizar para el tratamiento de precarbonización de materias primas, mejorando la posterior eficiencia de gasificación y la tasa de producción de hidrógeno.

VII. Aplicaciones emergentes y tendencias futuras

Con el continuo desarrollo de nuevas tecnologías energéticas, los escenarios de aplicación de los hornos de carbonización se expanden constantemente:

Materiales de baterías de iones de sodio: Las baterías de iones de sodio, similares a las de iones de litio pero a un costo menor, dependen de la optimización del proceso de carbonización para sus materiales de ánodo de carbono duro.

Separador de baterías de litio-azufre: el material de carbono poroso preparado por carbonización se puede utilizar como separador funcional para baterías de litio-azufre para suprimir el efecto lanzadera de los polisulfuros.

Optimización de la interfaz de electrolito sólido: mediante el tratamiento de carbonización, se puede formar una capa de interfaz estable en la superficie de los electrolitos sólidos, lo que reduce la impedancia de la interfaz.

En el futuro, la tecnología de los hornos de carbonización evolucionará hacia un control de mayor precisión, una producción a mayor escala y un menor consumo de energía. Nuevas tecnologías como la carbonización por microondas y la carbonización asistida por plasma mejorarán aún más el rendimiento del material y acortarán el tiempo de procesamiento. Mientras tanto, el sistema de control inteligente logrará la digitalización y trazabilidad del proceso de carbonización, cumpliendo con los estrictos requisitos de la nueva industria energética en materia de consistencia del material.

En conclusión, como dispositivo central para la preparación de nuevos materiales energéticos, el horno de carbonización se ha aplicado en múltiples campos clave, como el almacenamiento de energía, la generación de energía y la energía del hidrógeno. Con el avance del objetivo de neutralidad de carbono, la tecnología de los hornos de carbonización seguirá innovando y proporcionando soluciones materiales más eficientes y respetuosas con el medio ambiente para la nueva industria energética.