Základné znalosti o negatívnych elektródových materiáloch - grafitových materiálov

Základné znalosti o negatívnych elektródových materiáloch - grafitových materiálov
Graphit je jedným z najstarších materiálov na uhlíkové negatívne elektródy používané v lítium-iónových batériách. Má dobrú vodivosť, vysokú kryštalinitu a dobrú vrstvenú štruktúru. Je veľmi vhodný na to, aby sa inzercia/extrakcia lítiových iónov vytvorila medzivrstvové zlúčeniny lítium-grafit. Špecifická kapacita náboja môže dosiahnuť viac ako 300 mA-H/g, účinnosť nabíjania nabíjania je viac ako 90%a nezvratná kapacita je menšia ako 50 mA • h/g. Reakcia extrakcie lítia v grafite sa vyskytuje približne pri 0 ~ 0,25 V (vs. Li+/li). Má dobrú platformu potenciálu nabíjacieho poplatku a dokáže zladiť mnoho pozitívnych materiálov elektród vrátane LIMN2O4. Priemerné výstupné napätie batérie je vysoké. V súčasnosti je najpoužívanejším negatívnym elektródovým materiálom pre lítium-iónové batérie. Graphit patrí do šesťuholníkového kryštálového systému. Jeho kryštály sa skladajú z hexagonálnych sieťoviek zložených z atómov uhlíka a pravidelne sa stohujú. Má vrstvenú štruktúru.
V každej vrstve sú atómy uhlíka usporiadané do šesťuholníka a každý atóm uhlíka je kovalentne viazaný na tri susedné atómy uhlíka s hybridným orbitálom SP2 a elektróny na zostávajúcej orbitálnej forme delokalizovaných väzieb. V súčasnosti obsahujú uhlíkové materiály na trhu predovšetkým nasledujúce kategórie: vysoko grafitizované uhlíkové mikroguľky mezofázy (MCMB), grafity vlákna, umelý grafit a prírodný grafit.

MCMB má sférický celkový tvar, vysokú hustotu stohovania, vysoko usporiadanú štruktúru stohovania vrstiev a relatívne veľkú kapacitu vkladania lítium na jednotku objemu. Prvýkrát bol vyvinutý a vyrobený spoločnosťou Osaka Gas Company v Japonsku a používa sa ako negatívny elektródový materiál pre lítium-iónové batérie. MCMB má hladký povrch a malú špecifickú plochu povrchu, ktorá môže znížiť výskyt hraničných reakcií elektród počas nabíjania a vypúšťania, čím sa zníži strata kapacity počas prvého procesu nabíjania; Okrem toho má malá lopta lamelárna štruktúra, ktorá vedie k vkladaniu a de-vyprázdneniu lítiových iónov zo všetkých smerov gule, znižuje opuchy a zrútenie grafitských listov spôsobených nadmernou anizotropiou grafitových materiálov, a preto má určité rýchle a vysoké prúdové nabíjanie a vypnutie. Vysoko grafitelizovaná MCMB sa získava podrobením organickej látky na výšku uhlia na tepelnú polykondenzáciu, aby sa získali uhlíkové gule mezofázy, ktoré sa potom čistia extrakciou rozpúšťadla a inými metódami a potom ošetrené tepelne. Ako negatívny materiál elektród pre lítium-iónové batérie má MCMB veľký vplyv na svoj výkon vkladania lítia v dôsledku teploty a času tepelného spracovania. MCMB je jedným z hlavných negatívnych elektródových materiálov, ktoré sa v súčasnosti používajú v batériách s malými lítium-iónmi a batériami, ale jeho hlavnými problémami sú nízka špecifická kapacita a vysoká cena.

Okrem MCMB existujú aj ďalšie formy umelého grafitu vyrobené z grafitabilného uhlíka. Graphitové vlákno podporované parou je grafitovaný vláknitý materiál s rúrkovou dutou štruktúrou. Ako záporný materiál elektród pre lítium-iónové batérie má výbojovú špecifickú kapacitu viac ako 320 mA-h/g a počiatočnú účinnosť náboja a výboja 93%. V porovnaní s inými uhlíkovými alebo grafitovými negatívnymi elektródovými materiálmi majú lítium-iónové batérie využívajúce grafitové vlákno uložené pár, pretože negatívna elektróda má vynikajúcu výkonnosť veľkého prúdu a výkonnosť nízkej teploty a výkonnosť výboja a dlhšia životnosť cyklu. Avšak v dôsledku komplexného prípravného procesu plynových materiálov uložených v plynnej fáze a nákladov na vysoké materiály je jeho rozsiahla aplikácia v lítium-iónových batériách vystavená určitým obmedzeniam. Umelý grafit pripravený dopingom, štrukturálnym nastavením alebo povrchovou modifikáciou ľahko grafitatizovaného uhlíka, ako je ropný koks a vysokoteplotné grafitizačné ošetrenie, má dobrý výkon cyklu a cenu nižšiu ako MCMB. V súčasnosti začalo Japonsko a ďalšie krajiny skutočnú výrobu a používanie. Existuje tiež veľa nevýhod grafitu ako negatívnej elektródy, ako napríklad: Film SEI sa tvorí počas cyklu náboja a vypúšťania, čo spôsobuje rozšírenie matrice a stratu kapacity, pričom spôsobuje odlupovanie a zníženie života grafitovej vrstvy; Grafitový materiál má zlú kompatibilitu s počítačom rozpúšťadla; Li* je možné zabudovať a extrahovať z hranice vločky a v dôsledku malej plochy vloženia/extrakcie a dlhej difúznej dráhy nie je vhodná na veľké nabíjanie a vypúšťanie prúdu; Teplota grafitového tepelného spracovania zvyčajne musí byť nad 2000 ° C, čo zvyšuje výrobné náklady; Ak potenciál dosiahne 0V alebo nižšie, môže sa na grafitovú elektródu ukladať kovové lítia. Vďaka vyššie uvedeným nevýhodám nemodifikovaného grafitu sa modifikovaný grafit v praxi bežne používa. Medzi nimi sú povrchové povlaky, chemická modifikácia a sféroidizácia hlavnými metódami liečby v súčasnosti. Povrchové povlaky zahŕňa organický povlak a anorganický povlak a chemická modifikácia zahŕňa najmä oxidáciu, redukciu a povrchovú chemickú modifikáciu.