Základní znalost negativních elektrodových materiálů - grafitové materiály

Základní znalost negativních elektrodových materiálů - grafitové materiály
Grafit je jedním z prvních uhlíkových negativních elektrodových materiálů používaných v lithium-iontových bateriích. Má dobrou vodivost, vysokou krystalinitu a dobrou vrstvenou strukturu. Je velmi vhodné pro vložení/extrakci lithiových iontů za vzniku lithium-grafitových mezivrstvých sloučenin. Specifická kapacita vybírání náboje může dosáhnout více než 300 mA-H/g, účinnost vybírání náboje je více než 90%a nevratná kapacita je menší než 50 mA • H/g. K reakci na extrakci lithia na grafitu dochází asi při přibližně 0 ~ 0,25 V (vs. li+/li). Má dobrou platformu pro vybírání náboje a může odpovídat mnoha pozitivním elektrodovým materiálům včetně Limn2O4. Průměrné výstupní napětí baterie je vysoké. V současné době je nejrozšířenějším negativním materiálem elektrod pro lithium-iontové baterie. Grafit patří do hexagonálního krystalového systému. Jeho krystaly se skládají z šestiúhelníkových rovin složených z atomů uhlíku a jsou pravidelně naskládány. Má vrstvenou strukturu.
V každé vrstvě jsou atomy uhlíku uspořádány v hexagonu a každý atom uhlíku je kovalentně vázán na tři sousední atomy uhlíku s hybridním orbitálem SP2 a na zbývající P orbitální formy delokalizované vazby. V současné době zahrnují grafitové uhlíkové materiály na trhu hlavně následující kategorie: vysoce grafitizované uhlíkové mikrobudiny mezofázy (MCMB), grafitizovaná vlákna, umělý grafit a přirozený grafit.

MCMB má sférický celkový tvar, vysokou hustotu stohování, vysoce uspořádanou strukturu stohování vrstvy a relativně velkou kapacitu vložení lithia na jednotku objemu. Poprvé byla vyvinuta a vyrobena Japonskou společností Osaka Gas Company a používá se jako negativní elektrodový materiál pro lithium-iontové baterie. MCMB má hladký povrch a malou specifickou povrchovou plochu, která může snížit výskyt mezních reakcí elektrod během nabíjení a vybíjení, čímž se sníží ztráta kapacity během prvního procesu nabíjení; Malá koule má navíc lamelární strukturu, která vede k vložení a de-cínu lithiových iontů ze všech směrů míče, což snižuje otok a kolaps grafitových listů způsobených nadměrnou anizotropií grafitových materiálů, a tak má určité rychlé a vysoké proudové nabíjecí a vypouštěcí schopnost. Vysoce grafitizovaný MCMB se získá podrobením organických látek na hřiště uhelného dehtu na tepelnou polykondenzaci, aby se získaly mezofázové uhlíkové koule, které jsou poté purifikovány extrakcí rozpouštědlem a jinými metodami a poté ošetřeny teplem. Jako negativní elektrodový materiál pro lithium-iontové baterie má MCMB velký vliv na výkon vložení lithia v důsledku teploty a času tepelného zpracování. MCMB je jedním z hlavních negativních elektrodových materiálů, které se v současné době používají v malých lithium-iontových bateriích a napájecích bateriích, ale jeho hlavními problémy jsou nízká specifická kapacita a vysoká cena.

Kromě MCMB existují i ​​jiné formy umělého grafitu vyrobeného z grafitizovatelného uhlíku. Grafitové vlákno založené na páře je grafitizovaný materiál vlákna s trubkovou dutou strukturou. Jako negativní elektrodový materiál pro lithium-iontové baterie má specifickou kapacitu vypouštění více než 320 mA/g a počáteční náboj a účinnost vypouštění 93%. Ve srovnání s jinými elektrodovými materiály uhlíku nebo grafitu mají lithium-iontové baterie používající grafitové vlákno založené na páře jako zápornou elektrodu vynikající výbojový výkon velkého proudu a výkon vypouštění nízké teploty a delší životnost cyklu. Avšak vzhledem k komplexnímu procesu přípravy plynových fází ukládaných grafitových vláken a vysokých nákladů na materiál podléhá jeho rozsáhlým aplikacím v lithium-iontových bateriích určitých omezení. Umělý grafit připravený dopingem, strukturálním nastavením nebo modifikací povrchu snadno grafitizovaného uhlíku, jako je ropný koks a vysokoteplotní grafitizační ošetření, má dobrý výkon cyklu a cenu nižší než MCMB. V současné době Japonsko a další země začaly skutečnou produkci a používání. Existuje také mnoho nevýhod grafitu jako negativní elektrody, jako například: SEI film se tvoří během cyklu náboje a vypouštění, což způsobuje expanzi matice a ztrátu kapacity, přičemž způsobuje, že se grafitová vrstva odlupuje a zmenšuje život; Grafitový materiál má špatnou kompatibilitu s PC rozpouštědlem; LI* lze zabudovat a extrahovat pouze z hranice vločky a vzhledem k malé reakční oblasti vložení/extrakce a dlouhé difúzní dráze není vhodné pro nabíjení a vypouštění velkého proudu; Teplota grafitového tepelného zpracování obvykle musí být vyšší než 2000 ° C, což zvyšuje výrobní náklady; Když potenciál dosáhne 0V nebo nižší, může být kovový lithium uložen na grafitovou elektrodu. Vzhledem k výše uvedeným nevýhodám nemodifikovaného grafitu se modifikovaný grafit v praxi široce používá. Mezi nimi jsou v současné době hlavními metodami léčby povrchový povlak, chemická modifikace a sféroidizace. Povrchový povlak zahrnuje organický povlak a anorganický povlak a chemická modifikace zahrnuje hlavně oxidaci, redukci a povrchovou chemickou modifikaci.