Conoscenza di base dei materiali elettrodi negativi - Materiali di grafite

Conoscenza di base dei materiali elettrodi negativi - Materiali di grafite
La grafite è uno dei primi materiali di elettrodo negativo in carbonio utilizzati nelle batterie agli ioni di litio. Ha una buona conduttività, un'alta cristallinità e una buona struttura a strati. È molto adatto per l'inserimento/estrazione di ioni di litio per formare composti interstradenti al litio-grafita. La capacità specifica per scarica di addebito può raggiungere oltre 300 mA-H/g, l'efficienza di scarica di carica è superiore al 90%e la capacità irreversibile è inferiore a 50 mA • H/g. La reazione di estrazione al litio nella grafite si verifica a circa 0 ~ 0,25 V (vs. Li+/Li). Ha una buona piattaforma potenziale di scarica di carica e può abbinare molti materiali di elettrodi positivi tra cui Limn2O4. La tensione di uscita media della batteria è alta. Attualmente è il materiale elettrodo negativo più utilizzato per le batterie agli ioni di litio. La grafite appartiene al sistema di cristallo esagonale. I suoi cristalli sono composti da aerei a rete esagonale composti da atomi di carbonio e sono regolarmente impilati. Ha una struttura a strati.
In ogni strato, gli atomi di carbonio sono disposti in un esagono e ogni atomo di carbonio è legato in modo covalente a tre atomi di carbonio adiacenti con un orbitale ibrido SP2 e gli elettroni sulla restante forma orbitale delicati. Attualmente, i materiali in carbonio a base di grafite sul mercato includono principalmente le seguenti categorie: microbead di carbonio mesofase altamente grafitizzate (MCMB), fibre grafitizzate, grafite artificiale e grafite naturale.

MCMB ha una forma generale sferica, un'alta densità di impilamento, una struttura di impilamento dello strato altamente ordinato e una capacità di incorporamento del litio relativamente grande per volume unitario. È stato per la prima volta sviluppato e prodotto dalla Osaka Gas Company del Giappone e viene utilizzato come materiale elettrodo negativo per le batterie agli ioni di litio. MCMB ha una superficie liscia e una piccola superficie specifica, che può ridurre il verificarsi delle reazioni al contorno degli elettrodi durante la ricarica e lo scarico, riducendo così la perdita di capacità durante il primo processo di ricarica; Inoltre, la pallina ha una struttura lamellare, che favorisce l'incorporamento e la debizione di ioni di litio da tutte le direzioni della palla, riducendo la capacità di gonfiore e crollo dei fogli di grafite causati da un'eccessiva anisotropia dei materiali di grafite, e quindi ha una certa e alta capacità di ricarica e scarica. MCMB altamente grafitizzato si ottiene sottoponendo la materia organica del catrame di catrame di carbone alla policondensazione termica per ottenere sfere di carbonio mesofase, che vengono quindi purificate mediante estrazione di solvente e altri metodi e quindi trattati al calore. Come materiale elettrodo negativo per le batterie agli ioni di litio, MCMB ha una grande influenza sulle prestazioni di inserimento del litio a causa della temperatura e del tempo di trattamento termico. MCMB è uno dei principali materiali elettrodi negativi attualmente utilizzati in piccole batterie agli ioni di litio e batterie di potenza, ma i suoi problemi principali sono bassi capacità specifiche e prezzo elevato.

Oltre a MCMB, ci sono altre forme di grafite artificiale realizzate in carbonio grafitizzabile. La fibra di grafite depositata dal vapore è un materiale in fibra grafitizzata con una struttura cavata tubolare. Come materiale elettrodo negativo per le batterie agli ioni di litio, ha una capacità specifica di scarica superiore a 320 mA-H/g e una carica iniziale e un'efficienza di scarica del 93%. Rispetto ad altri materiali di elettrodo negativo di carbonio o grafite, le batterie agli ioni di litio che utilizzano fibra di grafite depositata dal vapore come elettrodo negativo hanno prestazioni di scarica di corrente di grande corrente più eccellenti e prestazioni di scarico a bassa temperatura e una durata del ciclo più lunga. Tuttavia, a causa del complesso processo di preparazione dei materiali in fibra di grafite depositati in fase gassosa e costi elevati del materiale, la sua applicazione su larga scala nelle batterie agli ioni di litio è soggetta a determinate restrizioni. La grafite artificiale preparata mediante doping, regolazione strutturale o modifica della superficie di carbonio facilmente grafitizzato come coke di petrolio e trattamento di grafitizzazione ad alta temperatura ha buone prestazioni del ciclo e un prezzo inferiore a MCMB. Attualmente, il Giappone e altri paesi hanno iniziato la produzione e l'uso effettivi. Ci sono anche molti svantaggi della grafite come elettrodo negativo, come ad esempio: il film SEI si forma durante il ciclo di carica e scarica, causando l'espansione della matrice e la perdita di capacità, facendo staccare lo strato di grafite e ridurre la vita; Il materiale di grafite ha una scarsa compatibilità con il solvente per PC; Li* può essere incorporato ed estratto solo dal confine del fiocco e, a causa della piccola area di reazione di incorporamento/estrazione e del lungo percorso di diffusione, non è adatto per la ricarica e la scarica di grandi attuali; La temperatura del trattamento termico della grafite di solito deve essere superiore a 2000 ° C, il che aumenta il costo di produzione; Quando il potenziale raggiunge 0 V o inferiore, il litio metallico può essere depositato sull'elettrodo di grafite. A causa degli svantaggi di cui sopra della grafite non modificata, la grafite modificata è ampiamente utilizzata nella pratica. Tra questi, il rivestimento superficiale, la modifica chimica e la sferoidizzazione sono attualmente i principali metodi di trattamento. Il rivestimento di superficie comprende il rivestimento organico e il rivestimento inorganico e la modifica chimica comprende principalmente l'ossidazione, la riduzione e la modifica chimica della superficie.