Βασικές γνώσεις αρνητικών υλικών ηλεκτροδίων - Υλικά γραφίτη

Βασικές γνώσεις αρνητικών υλικών ηλεκτροδίων - Υλικά γραφίτη
Ο γραφίτης είναι ένα από τα πρώτα αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. Έχει καλή αγωγιμότητα, υψηλή κρυσταλλικότητα και καλή δομή. Είναι πολύ κατάλληλο για την εισαγωγή/εκχύλιση ιόντων λιθίου να σχηματίσουν ενώσεις ενδιάμεσης λιθίου-γραφίτη. Η ειδική χωρητικότητα για την απόρριψη φόρτισης μπορεί να φτάσει πάνω από 300mA-H/G, η απόδοση της εκφόρτισης φορτίου είναι μεγαλύτερη από 90%και η μη αναστρέψιμη χωρητικότητα είναι μικρότερη από 50mA • H/G. Η αντίδραση εκχύλισης λιθίου σε γραφίτη εμφανίζεται σε περίπου 0 ~ 0.25V (έναντι Li+/Li). Έχει μια καλή δυναμική πλατφόρμα φορτίου-εκφόρτωσης και μπορεί να ταιριάζει με πολλά θετικά υλικά ηλεκτροδίων, συμπεριλαμβανομένου του LIMN2O4. Η μέση τάση εξόδου της μπαταρίας είναι υψηλή. Είναι σήμερα το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ο γραφίτης ανήκει στο εξαγωνικό κρυστάλλινο σύστημα. Οι κρύσταλλοι του αποτελούνται από εξαγωνικά επίπεδα ματιών που αποτελούνται από άτομα άνθρακα και είναι τακτικά στοιβάζονται. Έχει μια στρώση δομή.
Σε κάθε στρώμα, τα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε ένα εξάγωνο και κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται ομοιοπολικά σε τρία γειτονικά άτομα άνθρακα με υβριδικό τροχιακό SP2 και τα ηλεκτρόνια των υπόλοιπων ομοσπονδιακών δεσμών Procal. Επί του παρόντος, τα υλικά άνθρακα που βασίζονται σε γραφίτη στην αγορά περιλαμβάνουν κυρίως τις ακόλουθες κατηγορίες: μικροσκοπικά μικροσκοπικά mesophase άνθρακα (MCMB), γραφιοποιημένες ίνες, τεχνητό γραφίτη και φυσικό γραφίτη.

Το MCMB έχει σφαιρικό συνολικό σχήμα, υψηλή πυκνότητα στοίβαξης, δομή στοίβαξης στρώματος εξαιρετικά διατεταγμένης στρώματος και σχετικά μεγάλη ικανότητα ενσωμάτωσης λιθίου ανά όγκο μονάδας. Πρώτα αναπτύχθηκε και παράγεται από την Osaka Gas Company της Ιαπωνίας και χρησιμοποιείται ως αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το MCMB έχει μια ομαλή επιφάνεια και μια μικρή ειδική επιφάνεια, η οποία μπορεί να μειώσει την εμφάνιση των ορίων των ηλεκτροδίων κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης, μειώνοντας έτσι την απώλεια χωρητικότητας κατά τη διάρκεια της πρώτης διαδικασίας φόρτισης. Επιπλέον, η μικρή σφαίρα έχει μια ελασματοειδή δομή, η οποία ευνοεί την ενσωμάτωση και την εξομάλυνση των ιόντων λιθίου από όλες τις κατευθύνσεις της μπάλας, μειώνοντας το πρήξιμο και την κατάρρευση των φύλλων γραφίτη που προκαλούνται από την υπερβολική ανισοτροπία των υλικών γραφίτη, Η εξαιρετικά γραφιτισμοποιημένη MCMB λαμβάνεται με την υποβολή της οργανικής ύλης TAR άνθρακα σε θερμική πολυσυμπύκνωση για να ληφθούν μπάλες άνθρακα μεσοφάσης, οι οποίες στη συνέχεια καθαρίζονται με εκχύλιση διαλύτη και άλλες μεθόδους και στη συνέχεια υποβάλλονται σε θεραπεία με θερμότητα. Ως αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου για μπαταρίες ιόντων λιθίου, η MCMB έχει μεγάλη επίδραση στην απόδοση εισαγωγής λιθίου λόγω θερμοκρασίας και χρόνου θερμικής επεξεργασίας. Το MCMB είναι ένα από τα κύρια αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε μικρές μπαταρίες ιόντων λιθίου και μπαταρίες ισχύος, αλλά τα κύρια προβλήματα της είναι χαμηλής ειδικής χωρητικότητας και υψηλής τιμής.

Εκτός από το MCMB, υπάρχουν και άλλες μορφές τεχνητού γραφίτη που κατασκευάζεται από graphitizable Carbon. Η ίνα γραφίτη που είναι τοποθετημένων σε ατμούς είναι ένα υλικό ινών με γραφίτη με σωληνοειδή κοίλη δομή. Ως αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου για μπαταρίες ιόντων λιθίου, έχει ειδική ικανότητα εκφόρτισης άνω των 320mA-H/g και αρχική απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης 93%. Σε σύγκριση με άλλα υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων άνθρακα ή γραφίτη, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιώντας ίνες γραφίτη που έχουν υποστεί αθάνατα, καθώς το αρνητικό ηλεκτρόδιο έχουν πιο εξαιρετική απόδοση εκφόρτισης μεγάλου ρεύματος και απόδοση εκκένωσης χαμηλής θερμοκρασίας και διάρκεια ζωής μεγαλύτερης διάρκειας. Ωστόσο, λόγω της πολύπλοκης διαδικασίας παρασκευής των υλικών ινών γραφίτη που έχουν κατατεθεί αερίου φάσης και το υψηλό κόστος υλικού, η εφαρμογή μεγάλης κλίμακας σε μπαταρίες ιόντων λιθίου υπόκειται σε ορισμένους περιορισμούς. Ο τεχνητός γραφίτης που παρασκευάζεται με ντόπινγκ, δομική ρύθμιση ή τροποποίηση επιφανείας εύκολα γραφιτισμένου άνθρακα, όπως ο Coke Petroleum και η θεραπεία γραφικοποίησης υψηλής θερμοκρασίας έχουν καλή απόδοση του κύκλου και μια τιμή χαμηλότερη από την MCMB. Επί του παρόντος, η Ιαπωνία και άλλες χώρες έχουν αρχίσει την πραγματική παραγωγή και χρήση. Υπάρχουν επίσης πολλά μειονεκτήματα του γραφίτη ως αρνητικό ηλεκτρόδιο, όπως: η μεμβράνη SEI σχηματίζεται κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης, προκαλώντας την επέκταση της μήτρας και την απώλεια χωρητικότητας, προκαλώντας το στρώμα του γραφίτη να ξεφλουδίσει και να μειώσει τη ζωή. Το υλικό γραφίτη έχει κακή συμβατότητα με τον διαλύτη PC. Το Li* μπορεί να ενσωματωθεί και να εξαχθεί μόνο από το όριο νιφάδων και λόγω της μικρής περιοχής αντίδρασης ενσωμάτωσης/εκχύλισης και της διαδρομής μακράς διάχυσης, δεν είναι κατάλληλο για μεγάλη ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης. Η θερμοκρασία επεξεργασίας θερμότητας γραφίτη συνήθως πρέπει να είναι πάνω από το 2000C, γεγονός που αυξάνει το κόστος παραγωγής. Όταν το δυναμικό φτάσει στο 0V ή χαμηλότερο, το μεταλλικό λίθιο μπορεί να κατατεθεί στο ηλεκτρόδιο γραφίτη. Λόγω των παραπάνω μειονεκτήματα του μη τροποποιημένου γραφίτη, ο τροποποιημένος γραφίτης χρησιμοποιείται ευρέως στην πράξη. Μεταξύ αυτών, η επιφανειακή επικάλυψη, η χημική τροποποίηση και η σφαιροειδή είναι οι κύριες μεθόδους θεραπείας. Η επιφανειακή επικάλυψη περιλαμβάνει οργανική επίστρωση και ανόργανη επικάλυψη και η χημική τροποποίηση περιλαμβάνει κυρίως οξείδωση, μείωση και επιφανειακή χημική τροποποίηση.