Characterization of Petroleum Cokes for Use in Li-ion Batteries

Abstract

De siste årene har etterspørselen etter grafitt, som er en viktig komponent i litiumionbatterier (LIB), økt betydelig på grunn av den økende populariteten til elbiler. Naturlig grafitt utvinnes fra gruver, mens syntetisk grafitt produseres ved varmebehandling av karbonrike materialer som grønn petroleumskoks (GPC), et biprodukt fra oljeraffinering. Nålkoks, som har lavt svovel- og askeinnhold, har vært det foretrukne råmaterialet for produksjon av syntetisk grafitt. Den høye etterspørselen etter nålekoks har ført til en tilsvarende økning i bruken av svampkoks, som riktignok er billigere og lettere tilgjengelig, men som inneholder en høyere konsentrasjon av svovel og andre urenheter.

Denne studien har som mål å forstå hvordan høyere svovelinnhold og egenskapene til svampkoks påvirker kalsinering, grafitisering og kapasiteten til den resulterende grafitten i litiumionbatterier. Forholdet mellom egenskapene til den grønne petroleumskoksen (GPC), den resulterende kalsinerte petroleumskoksen (CPC) og den produserte syntetiske grafitten, med fokus på grafittkapasitet i LIB, ble undersøkt.

Analysene inkluderer nitrogenadsorpsjon for karakterisering av overflateareal, porestruktur og porestørrelsesfordeling, tetthetsmålinger, bestemmelse av svovel- og oksygeninnhold, røntgenfluorescens (XRF) for metallforurensninger, analyse av CO- og \ce{CO2}-utviklingen, termogravimetrisk analyse (TGA), FTIR- og Raman-spektroskopi og testing av batteriets kapasitet. Funnene indikerer at massetap under kalsinering og grafitisering var kritiske faktorer, med betydelige endringer i porestrukturen. Høyere svovelinnhold i GPC muliggjør sannsynligvis forsinket rekonstruksjon, noe som resulterer i grafitt med større porøsitet og BET-overflateareal. Dette fører til en optimal grafittstruktur for litiuminterkalering, noe som til slutt resulterer i økt kapasitet.

The demand for graphite, a critical component in lithium-ion batteries (LIBs), has increased significantly in recent years due to the growing popularity of electric vehicles (EVs). Graphite can be sourced naturally through mining or produced synthetically by heat-treating carbon-rich materials like green petroleum coke (GPC), a byproduct of oil refining. Needle coke, which is low in sulfur and ash content, has been the preferred raw material for synthetic graphite production. The high demand for needle coke has resulted in a corresponding increase in the use of sponge coke, which, although cheaper and more readily available, contains a higher concentration of sulfur and other impurities.

This study aims to understand how higher sulfur content and properties of the sponge coke influence the calcination, graphitization, and performance of the resulting graphite in LIBs. The relationship between the properties of GPC, the resulting calcined petroleum coke (CPC), and the produced synthetic graphite, with a focus on graphite capacity in LIBs was investigated.

Analyses include nitrogen adsorption for characterization of surface area, pore structure and pore size distribution, true density measurements, sulfur and oxygen content determination, X-ray fluorescence (XRF) for metal impurities, analysis of CO and \ce{CO2} evolution, thermogravimetric analysis (TGA), FTIR and Raman spectroscopy and battery performance testing. The findings indicate that mass loss during calcination and graphitization were critical factors, with significant changes in the pore structure. Higher sulfur content in GPC likely facilitates delayed reconstruction, resulting in graphite with greater porosity and BET surface area. This leads to an optimal graphite structure for lithium intercalation, ultimately increasing capacity.