PAN ベースのカーボンフェルトとビスコースベース: 適切な電極材料の選び方

20 kW バナジウムレドックスフローバッテリー (VRFB) 用の電極材料の候補リストを作成しているとします。会話の中心となるのは、PAN ベースのカーボンフェルトとビスコースベースのカーボンフェルトの 2 つの製品です。どちらもカーボンフェルトですが、それらの前駆体繊維は根本的に異なる材料を生成します。 PAN ベースのフェルトは、より高い引張強度と良好な黒鉛化を実現し、一方、ビスコースベースのフェルトは、より低い灰分含有量と、より柔らかく、より適合性の高い構造を実現します。

このガイドでは、測定可能な違い、各フェルトが最も優れたパフォーマンスを発揮する場所、およびサプライチェーンが実際に製造できる仕様の書き方について説明します。

選択ショートカット: フェルトがフロー電池内で電流を流す場合は、PAN ベースのグラファイトフェルトから始めます。断熱するか、高純度ゾーンに留まる場合は、ビスコースベースのグラファイトフェルトから始めてください。

PAN ベースのカーボンフェルトとビスコースベース: 前駆体の違い

決定的な違いは、炭素収量、黒鉛化性、最終灰分を制御する前駆体繊維です。 PAN ベースのカーボンフェルトは、ポリアクリロニトリルの短繊維から作られ、不織布本体にニードルパンチが施され、その後約 1,000℃ で炭化されます。同じ本体が 2,000℃ 以上で黒鉛化されると、PAN ベースのグラファイトフェルトになります。

ビスコースベースのカーボンフェルトは再生セルロース繊維であるレーヨンを使用しています。セルロースはおよそ 20 ～ 30 パーセントの収率で炭化しますが、PAN の炭化率は約 50 パーセントです。そのため、同じ熱処理を行うと、ビスコースフェルトはさらに収縮し、より細かく緻密な質感に仕上がります。収量の違いが、ビスコース製品のキログラムあたりのコストが低いにもかかわらず、表面での挙動が異なる唯一の最大の理由です。

定義: PAN系カーボンフェルトは、ポリアクリロニトリル短繊維を原料としてニードルパンチにより目的の厚さと嵩密度に加工した炭化不織布フェルトで、電池の電極や高温絶縁媒体として使用されます。

PAN-Based Carbon Felt for High-Temperature Insulation and Electrode Applications

高温絶縁および電極用途向けのPANベースのカーボンフェルトこのカーボンフェルトは、ポリアクリロニトリルから誘導され、1200℃で炭化され、1500℃までの高温耐性と優れた導電性を備え、厳しい環境での絶縁および電極の使用に適しています。製品を見る→

炭素収率: PAN の場合は約 50 パーセント、ビスコースの場合は 20 ～ 30 パーセント
黒鉛化: PAN はより規則的な黒鉛層を形成し、抵抗率を低下させます。
灰分含有量: 高純度ビスコースグレードは洗浄後の灰分が低くなります
ニードルパンチ制御: PAN ステープルファイバーは低密度でより均一にパンチします。

PAN ベースとビスコースベース: 特性の比較

厚さと嵩密度が同じ場合、PAN ベースのグラファイトフェルトは引張強さの点でビスコースベースのグラファイトフェルトより優れていますが、ビスコースベースのフェルトの方が灰分が少なく、柔軟性が優れています。実際の結果はスタックで簡単に測定できます。

VRFB では、電極の面内抵抗率が抵抗損失に直接影響します。黒鉛化 PAN フェルトの圧力は 3 ～ 6 mOhm-cm ですが、ビスコースグレードは通常 5 ～ 10 mOhm-cm です。高温断熱の場合、熱伝導率がより重要になります。 PAN グラファイトフェルトは熱伝導性が高いため、断熱性は弱くなります。電極界面化学 VRFB の出力密度に測定可能な影響を与えるため、フェルトの仕上げステップがプリカーサーと同じくらい重要になります。

市販のカーボンおよびグラファイトフェルトの典型的な指標特性。サプライヤーに確認してください。
プロパティ	PAN系カーボンフェルト	PAN系グラファイトフェルト	ビスコースベースのグラファイトフェルト
一般的な厚さ (mm)	3-8	3-6	4-10
かさ密度(g/cm3)	0.12～0.22	0.12～0.20	0.15～0.25
引張強さ(MPa)	1.5～3.0	2.0～4.0	1.0～2.0
面内抵抗率 (mOhm-cm)	45-80	3-6	5-10
熱伝導率(W/mK)	5-8	30-80	20-50
灰分含有量 (ppm)	最大500	最大100	最大80

正規化比較 (PAN = 100)

引張強さ

100

52

電気伝導率

100

68

炭化収率

100

42

純度（低灰分）

78

100

炭化フェルトの典型的な値。実際の数値はグレードと仕上げによって異なります。

キー番号: この比較では、黒鉛化 PAN フェルトは引張強度のベンチマーク 100% に達していますが、ビスコースベースの黒鉛フェルトは平均 52% にすぎません。

フローバッテリー電極用のPANベースまたはビスコースベースのフェルトを選択する方法

バナジウムレドックスフロー電池の場合、PAN ベースのグラファイトフェルトが主力電極です。これは、グラムあたりの利用可能な表面積が最も大きく、サイクル安定性が最も高いためです。

電極フェルトの品質と電極表面の化学的性質がシステムの電力密度を支配します。厚さが不均一であったり、灰分が多いフェルトでは、局所的なホットスポットが生じ、容量が低下します。注文する前に、測定された厚さマップ、かさ密度範囲、および面内抵抗率のプロットを工場に問い合わせてください。

電極フェルトの品質亜鉛臭素電池の性能が数ポイント変化する可能性があるため、フェルトのサプライヤーはバッチごとにプロセス制御データを共有する必要があります。

20%

最適化されたフェルトと流れ場の組み合わせによる出力密度

3～6mm

VRFB スタックの標準的な電極の厚さ

50mV

各フェルト界面によるセル抵抗

5,000

ラボテストで報告された充電および放電サイクル

PAN-Based Graphite Felt for Extreme High-Temperature and Electrochemical Use

極度の高温および電気化学的用途向けのPANベースのグラファイトフェルト 2200°C で黒鉛化されたこの PAN ベースのフェルトは、最高 3200°C の温度に耐え、高性能絶縁および電極用途に優れた導電性と化学的不活性を提供します。製品を見る→

PAN ベースの最適な用途

フローバッテリー電極、高電流密度アプリケーション、サイクル時の構造的完全性、およびより低い電気抵抗。

ビスコースベースが最適

高純度の炉断熱材、ソフトガスケットとシーリング、低灰レトルト、および適合性が必要な用途。

高温絶縁および純度が重要な用途

フェルトを高純度の炉またはレトルトに入れておく必要がある場合は、レーヨン由来の質感により繊維の脱落が少なく、灰の保持が少ないため、ビスコースベースのグラファイトフェルトがより安全な選択です。

ビスコースベースのグラファイトフェルトは、真空炉の断熱、希土類溶解、および半導体グレードの熱ゾーンの定番です。レーヨン前駆体は、繊維の脱落を防ぐ、微細な閉じた表面を生成します。これは、粒子の汚染によって溶融物が損なわれる可能性がある場合に重要になります。絶縁層に電流を流す必要がある場合や機械的磨耗に耐える必要がある場合には、PAN ベースのフェルトが推奨されます。

Viscose-Based Graphite Felt for Low Thermal Conductivity and Insulation

低熱伝導率と断熱性を実現するビスコースベースのグラファイトフェルトビスコースレーヨンから作られたこのグラファイトフェルトは、低密度と熱伝導率 (≤0.2W/m・k) を特徴としており、半導体および高温プロセスにおける炉の断熱材および耐アブレーション材料として最適です。製品を見る→

真空炉のホットゾーン断熱材
希土類・超合金溶解炉
半導体結晶成長絶縁
高温機器における柔軟なシールとパッキン

購入に関する考慮事項: 公差、コスト、リードタイム

通常、最終的な選択は厚さの許容差、アッシュの仕様、平方メートルあたりの価格によって決まりますが、一般的にどちらのフェルトが優れているかということではありません。

PAN ベースのフェルトは、前駆体の価格が高く、黒鉛化により多くのエネルギーを必要とするため、平方メートルあたりのコストが高くなります。ビスコースベースのグラファイトフェルトは、厚さが 5 mm を超えるとコスト競争力が高くなります。 Jiaxing Naco New Materials Co., Ltd. に RFQ を発行する場合は、フェルトの種類、厚さの許容差、嵩密度の目標、および灰の最大制限を明記してください。工場では、これらの目標を満たすようにニードルパンチと黒鉛化温度を調整できます。