Osnovno znanje o negativnim materijalima za elektrode - grafitni materijali

Osnovno znanje o negativnim materijalima za elektrode - grafitni materijali
Grafit je jedan od najranijih materijala za elektrode od ugljika koji se koriste u litij-ionskim baterijama. Ima dobru vodljivost, visoku kristalnost i dobru slojevitu strukturu. Vrlo je prikladan za umetanje/ekstrakciju litijevih iona kako bi se formirali litij-grafitni međuslojni spojevi. Specifični kapacitet punjenja može dostići više od 300ma-h/g, učinkovitost punjenja naboja je veća od 90%, a nepovratni kapacitet je manji od 50mA • h/g. Reakcija ekstrakcije litija u grafitu javlja se na oko 0 ~ 0,25V (nasuprot li+/li). Ima dobru potencijalnu platformu za pražnjenje naboja i može odgovarati mnogim pozitivnim materijalima elektroda, uključujući Limn2O4. Prosječni izlazni napon baterije je visok. Trenutno je najčešće korišteni materijal negativnog elektroda za litij-ionske baterije. Grafit pripada šesterokutni kristalni sustav. Njegovi kristali sastoje se od šesterokutnih mrežanih ravnina sastavljenih od ugljikovih atoma i redovito se slažu. Ima slojevitu strukturu.
U svakom se sloju atomi ugljika raspoređuju u šesterokut, a svaki atom ugljika kovalentno je vezan na tri susjedna atoma ugljika s hibridnom orbitalom SP2, a elektroni na preostalom p orbitalnom obliku delokalizirane veze. Trenutno, ugljični materijali na tržištu temeljeni na grafitu uglavnom uključuju sljedeće kategorije: visoko grafitizirani mezofazni ugljični mikrobed (MCMB), grafitizirana vlakna, umjetni grafit i prirodni grafit.

MCMB ima sferni cjelokupni oblik, visoku gustoću slaganja, visoko uređenu strukturu slaganja sloja i relativno velik kapacitet ugradnje litija po volumenu jedinice. Prvo ga je razvio i proizveo Japan Osaka Gas Company, a koristi se kao negativni elektrodni materijal za litij-ionske baterije. MCMB ima glatku površinu i malu specifičnu površinu, što može smanjiti pojavu reakcija granica elektroda tijekom punjenja i ispuštanja, smanjujući na taj način gubitak kapaciteta tijekom prvog postupka punjenja; Pored toga, mala kugla ima lamelarnu strukturu, koja pogoduje ugradnji i odbijanju litijevih iona iz svih smjerova kuglice, smanjujući oteklinu i kolaps grafitnih listova uzrokovanih prekomjernom anizotropijom grafitnih materijala, te na taj način ima određenu brzu i visoku struju. Visoko grafitizirani MCMB dobiva se podvrgavanjem organske tvari ugljenog katrana toplinskoj polikondenzaciji radi dobivanja mezofaznih ugljikovih kuglica, koje se zatim pročišćavaju ekstrakcijom otapala i drugim metodama, a zatim toplinom tretira. Kao negativni materijal elektroda za litij-ionske baterije, MCMB ima veliki utjecaj na svoje performanse umetanja litija zbog temperature i vremena toplinske obrade. MCMB je jedan od glavnih materijala s negativnim elektrodama koji se trenutno koriste u dugotrajnim malim litij-ionskim baterijama i napajačkim baterijama, ali njegovi glavni problemi su niski specifični kapacitet i visoka cijena.

Pored MCMB -a, postoje i drugi oblici umjetnog grafita izrađenih od grafitiziranog ugljika. Grafitno vlakno od grafitnog vlakana s deporiziranim parom je grafitizirani materijal od vlakana s cijevnom šupljinom strukturom. Kao negativni materijal za elektrode za litij-ionske baterije, on ima specifičan kapacitet od više od 320ma-h/g i početni naboj i učinkovitost ispuštanja od 93%. U usporedbi s ostalim materijalima s negativnim elektrodom ugljika ili grafita, litij-ionske baterije koje koriste grafitno vlakno s deponiranim parom kao negativne elektrode imaju odlične velike performanse pražnjenja struje i performanse pražnjenja niske temperature i duži vijek trajanja ciklusa. Međutim, zbog složenog postupka pripreme plinske faze deponirane grafitne vlaknastih materijala i visokih troškova materijala, njegova velika primjena u litij-ionskim baterijama podliježe određenim ograničenjima. Umjetni grafit pripremljen doping, strukturno podešavanje ili površinsku modifikaciju lako grafitiziranog ugljika, poput naftnog koksa i liječenja visokim temperaturama, ima dobre performanse ciklusa i cijenu nižu od MCMB-a. Trenutno su Japan i druge zemlje započele stvarnu proizvodnju i upotrebu. Postoje i mnogi nedostaci grafita kao negativne elektrode, kao što je: SEI film nastaje tijekom ciklusa naboja i pražnjenja, što uzrokuje širenje matrice i gubitak kapaciteta, a uzrokuje da se grafitni sloj ogulio i smanjio život; Grafitni materijal ima slabu kompatibilnost s PC otapalom; Li* se može ugraditi i ekstrahirati iz granice pahuljice, a zbog malog reakcijskog područja ugradnje/ekstrakcije i duge difuzijske staze, nije prikladno za veliko punjenje i ispuštanje velikog struje; Temperatura grafitne toplinske obrade obično mora biti iznad 2000c, što povećava troškove proizvodnje; Kad potencijal dosegne 0V ili niži, metalni litij može se taložiti na grafitnoj elektrodi. Zbog gore navedenih nedostataka nemodificiranog grafita, u praksi se široko koristi modificirani grafit. Među njima su trenutno glavne metode liječenja površine, modifikacije kemijske modifikacije i sferoidizacija. Površinski premaz uključuje organsko premaz i anorganski premaz, a kemijske modifikacije uglavnom uključuju oksidaciju, redukciju i modifikaciju površinske kemikalije.