Microesferas de mesocarbono ( MCMB ) son materiales de carbono esféricos de tamaño micrométrico con una estructura de apilamiento estratificado de cristales líquidos nemáticos, generados por la condensación térmica de compuestos aromáticos pesados como el asfalto. Algunos MCMB se preparan utilizando asfalto de petróleo o alquitrán de hulla como materias primas.

S estructura y do características

El excelente rendimiento del MCMB se debe enteramente a su estructura física y química única:

Morfología de partículas esféricas:

Ventajas: Las partículas tienen una forma perfectamente esférica o casi esférica, con una superficie lisa. Esta forma les confiere una excelente fluidez y densidad de compactación, lo que facilita su aplicación uniforme al preparar lodos de electrodos. Tras la compactación, se pueden obtener láminas de electrodos con mayor densidad energética.

Estructura grafítica en capas:

Ventajas: Tras el tratamiento de grafitización a alta temperatura, los átomos de carbono en su interior se disponen en una estructura estratificada altamente ordenada. Esta estructura proporciona un canal estable y sin obstrucciones para la inserción y extracción de iones de litio, lo que proporciona un excelente rendimiento (carga y descarga rápidas) y una larga vida útil.

Isotrópico:

Ventajas: A diferencia de la anisotropía de las estructuras de láminas de grafito convencionales, la estructura esférica del MCMB garantiza que sus propiedades sean las mismas en todas las direcciones. Esto permite que los iones de litio se incrusten desde cualquier superficie de la esfera, evitando el problema de la expansión desigual causada por la direccionalidad, y la estructura es muy estable.

Ventajas principales como material de electrodo negativo para baterías

Con base en la estructura anterior, MCMB negativo material del electrodo Presenta las siguientes características de alto rendimiento:

Alto rendimiento de aumento: Ideal para aplicaciones de carga rápida. Los iones de litio pueden incrustar y desprender rápidamente partículas esféricas desde diversas direcciones, lo que resulta en una alta retención de capacidad y baja polarización durante la carga y descarga de alta corriente.

Excelente vida útil: la estructura altamente grafitizada y la estabilidad esférica dan como resultado cambios mínimos en el volumen del material durante los procesos de carga y descarga, lo que hace que la estructura sea menos susceptible a daños y capaz de soportar miles de ciclos.

Buen rendimiento a baja temperatura: Su exclusivo mecanismo de inserción de litio le permite mantener una capacidad y una potencia de salida relativamente buenas en entornos de baja temperatura.

Alta seguridad: La estructura esférica tiene buena compatibilidad con electrolitos, menos reacciones secundarias y una estabilidad térmica relativamente alta.

Proceso de preparación técnica

La preparación de MCMB es un proceso complejo y de alto consumo energético, lo que directamente influye en su elevado coste. Los pasos principales incluyen:

Tratamiento de precursores: seleccionar brea de alquitrán de hulla o brea de petróleo adecuadas como materias primas.

Formación de la fase intermedia (carbonización en fase líquida): En atmósfera inerte, el asfalto se calienta a unos 400 °C. A esta temperatura, las grandes moléculas aromáticas del asfalto experimentan descomposición térmica, condensación y reorganización, formando un estado de cristal líquido denominado «fase intermedia». Este tipo de cristal líquido forma espontáneamente esferas micrométricas bajo la acción de la tensión superficial.

Separación y extracción: El MCMB formado se separa y se lava del asfalto restante utilizando un solvente como la quinolina.

Carbonización y grafitización: Estos son los pasos más críticos y de mayor consumo energético. Primero, se carboniza a aproximadamente 1000 °C tras un tratamiento sin fusión, y luego se realiza un tratamiento térmico en un horno de grafitización de ultraalta temperatura de hasta 2800 °C-3000 °C para transformar la estructura desordenada del carbono en una estructura estratificada de grafito altamente ordenada.

Cribado y envasado: Finalmente, se realiza el cribado según el rango de tamaño de partícula requerido por el cliente.

La grafitización a temperatura ultra alta durante este proceso es una de las principales fuentes de costos.

Principales áreas de aplicación

Debido a su alto rendimiento (y por supuesto, su alto costo), el MCMB se utiliza a menudo en campos que requieren un rendimiento, una vida útil y una confiabilidad extremadamente altos:

Productos electrónicos de consumo de alta gama, como computadoras portátiles ultradelgadas y baterías para teléfonos inteligentes de alta gama.

Batería de potencia: Especialmente para baterías de vehículos eléctricos que tienen requisitos extremadamente altos en cuanto a carga rápida y vida útil del ciclo.

Sistema de almacenamiento de energía (ESS): especialmente para almacenamiento de energía en red y sistemas de almacenamiento de energía domésticos que requieren carga y descarga frecuentes y garantía de larga vida útil.

Baterías para usos especiales: campos como drones, aeroespacial, equipos médicos, etc. que requieren un rendimiento de batería extremadamente alto.