Negatiivsete elektroodimaterjalide põhiteadmised - grafiidimaterjalid

Negatiivsete elektroodimaterjalide põhiteadmised - grafiidimaterjalid
Grafiit on üks varasemaid süsinikugatiivseid elektroodimaterjale, mida kasutatakse liitium-ioonakudes. Sellel on hea juhtivus, kõrge kristallilisus ja hea kihiline struktuur. See sobib väga liitiumiioonide sisestamiseks/ekstraheerimiseks liitium-grafiidi vahepalade ühendite moodustamiseks. Laadimislahenduse spetsiifiline maht võib ulatuda enam kui 300mA-H/g, laengulahenduse efektiivsus on üle 90%ja pöördumatu maht on alla 50 mA • h/g. Liitiumi ekstraheerimise reaktsioon grafiidis toimub umbes 0 ~ 0,25 V (vs Li+/Li). Sellel on hea laengulahenduse potentsiaalne platvorm ja see võib sobitada paljusid positiivseid elektroodimaterjale, sealhulgas LIMN2O4. Aku keskmine väljundpinge on kõrge. See on praegu kõige laialdasemalt kasutatav negatiivne elektroodimaterjal liitium-ioonakude jaoks. Grafiit kuulub kuusnurksesse kristallsüsteemi. Selle kristallid koosnevad süsinikuaatomitest koosnevatest kuusnurksetest tasapindadest ja on regulaarselt virnastatud. Sellel on kihiline struktuur.
Igas kihis on süsinikuaatomid paigutatud kuusnurgas ja iga süsinikuaatom on kovalentselt seotud kolme külgneva süsinikuaatomiga, millel on SP2 hübriidorbitaal, ja ülejäänud P -orbitaalsed elektronid moodustavad delokaliseeritud sidemed. Praegu hõlmavad turul olevad grafiidipõhised süsinikmaterjalid peamiselt järgmisi kategooriaid: väga grafitiseeritud mesofaasi süsinikmikrokelle (MCMB), grafitiseeritud kiud, kunstlik grafiit ja looduslik grafiidi.

MCMB -l on sfääriline üldine kuju, kõrge virnastamistihedus, kõrgelt tellitud kihiline virnastusstruktuur ja suhteliselt suur liitiumi manustamisvõime mahuühiku kohta. Esmalt töötas selle välja ja toodeti Jaapani Osaka Gas Company poolt ning seda kasutatakse liitium-ioonpatareide negatiivse elektroodimaterjalina. MCMB -l on sile pind ja väike spetsiifiline pindala, mis võib vähendada elektroodi piirireaktsioonide esinemist laadimise ja tühjendamise ajal, vähendades sellega mahutavuse kadu esimese laadimisprotsessi ajal; Lisaks on väikesel pallil lamellstruktuur, mis soodustab liitiumioonide kinnistamist ja demineerimist kuuli kõigist suundadest, vähendades grafiidilehtede turset ja kokkuvarisemist, mis on põhjustatud grafiidimaterjalide liigsest anisotroopiast, ning seega on sellel teatav kiire ja kõrge voolu laadimisvõime ja halvustamisvõime. Väga grafitiseeritud MCMB saadakse kivisöe tõrva orgaanilise aine allutamisel termilise polükondensatsioonile, et saada mesofaasi süsinikupallid, mis seejärel puhastatakse lahusti ekstraheerimise ja muude meetodite abil ning seejärel kuumtöödeldud. Liitium-ioonpatareide negatiivse elektroodimaterjalina mõjutab MCMB kuumtöötluse temperatuuri ja aja tõttu suur mõju liitiumi sisestamise jõudlusele. MCMB on üks peamisi negatiivseid elektroodimaterjale, mida praegu kasutatakse pikaajalistes väikestes liitium-ioonakudes ja toiteakudes, kuid selle peamised probleemid on madal spetsiifiline maht ja kõrge hind.

Lisaks MCMB -le on ka graafilisest süsinikust valmistatud kunstlike grafiidi vorme. Aurude poolt mahajäänud grafiidikiud on torukujulise õõnesstruktuuriga grafitiseeritud kiudaine materjal. Liitium-ioonpatareide negatiivse elektroodimaterjalina on selle tühjendusspetsiifiline maht üle 320 mA/g ning esialgne laeng ja tühjenemise efektiivsus 93%. Võrreldes teiste süsinik- või grafiidiga negatiivsete elektroodimaterjalidega, on liitium-ioonakud, mis kasutavad auruga kaetud grafiidi kiudaineid negatiivse elektroodina, suurepärase suure voolu tühjenemise ja madala temperatuuri väljutamise tulemuslikkuse ning pikema tsükli tööajaga. Gaasifaasi ladestunud grafiidimaterjalide keeruka ettevalmistamise protsessi ja kõrge materjali kulude tõttu on selle laiaulatuslik kasutamine liitium-ioonakudes teatud piirangud. Kunstlik grafiidi, mis on valmistatud hõlpsasti grafitiseeritud süsiniku, näiteks naftakoksi ja kõrgtemperatuuriga grafitiseerimisravi, dopingu, struktuurilise reguleerimise või pinna modifitseerimise teel, on tsükli hea jõudlus ja hind madalam kui MCMB. Praegu on Jaapan ja teised riigid alustanud tegelikku tootmist ja kasutamist. Grafiidi kui negatiivse elektroodina on ka palju puudusi, näiteks: SEI -kile moodustatakse laadimis- ja tühjendustsükli ajal, põhjustades maatriksi laienemise ja mahutavuse kadu, põhjustades samas grafiidi kihi koorimist ja eluea vähendamist; Grafiidimaterjal on PC lahustiga halb ühilduvus; Li* saab manustada ja kaevandada ainult helveste piirist ning väikese manustamise/ekstraheerimise reaktsiooni pindala ja pika difusioonitee tõttu ei sobi see suure voolu laadimiseks ja tühjendamiseks; Grafiidi kuumtöötluse temperatuur peab tavaliselt olema üle 2000 ° C, mis suurendab tootmiskulusid; Kui potentsiaal ulatub 0 V või madalamale, võib grafiidilektroodile ladestuda metalliline liitium. Modifitseerimata grafiidi ülaltoodud puuduste tõttu kasutatakse modifitseeritud grafiiti praktikas laialdaselt. Nende hulgas on praegu peamised töötlemismeetodid pinnakatted, keemiline modifitseerimine ja sfääristamine. Pinnakate hõlmab orgaanilist katte ja anorgaanilist kattekihti ning keemiline modifikatsioon hõlmab peamiselt oksüdatsiooni, redutseerimist ja pinna keemilist modifitseerimist.