Основни познания за отрицателни електродни материали - Графитни материали

Основни познания за отрицателни електродни материали - Графитни материали
Графитът е един от най-ранните въглеродни отрицателни електродни материали, използвани в литиево-йонните батерии. Той има добра проводимост, висока кристалност и добра слоеста структура. Той е много подходящ за поставяне/екстракция на литиеви йони, за да се образуват междинни съединения на литиево-графит. Специфичният капацитет на заряда може да достигне повече от 300mA-H/G, ефективността на заряда-разряд е повече от 90%, а необратимият капацитет е по-малък от 50mA • h/g. Реакцията на екстракция на литий в графит се появява при около 0 ~ 0,25 V (срещу Li+/Li). Той има добра потенциална платформа за зареждане на заряд и може да съответства на много положителни електродни материали, включително Limn2O4. Средното изходно напрежение на батерията е високо. Понастоящем той е най-широко използваният отрицателен електроден материал за литиево-йонни батерии. Графитът принадлежи към шестоъгълната кристална система. Кристалите му са съставени от шестоъгълни мрежести равнини, съставени от въглеродни атоми и редовно се подреждат. Има слоеста структура.
Във всеки слой въглеродните атоми са подредени в шестоъгълник и всеки въглероден атом е ковалентно свързан към три съседни въглеродни атома с SP2 хибриден орбитал, а електроните върху останалите p orbital формират делокализирани връзки. В момента въглеродните материали на базата на графит на пазара включват предимно следните категории: силно графитизирани мезофазни въглеродни микроби (MCMB), графитизирани влакна, изкуствен графит и естествен графит.

MCMB има сферична цялостна форма, висока плътност на подреждане, силно подредена структура на подреждане на слоя и сравнително голям капацитет за вграждане на литий на единица обем. За първи път е разработен и произведен от газова компания Osaka от Япония и се използва като отрицателен електрод за литиево-йонните батерии. MCMB има гладка повърхност и малка специфична повърхност, която може да намали появата на гранични реакции на електрода по време на зареждане и изхвърляне, като по този начин намалява загубата на капацитет по време на първия процес на зареждане; В допълнение, малката топка има ламеларна структура, която е благоприятна за вграждането и дефинирането на литиеви йони от всички посоки на топката, намалявайки подуването и срива на графитни листове, причинени от прекомерна анизотропия на графитни материали и по този начин има определена бърза и висока токова способност за зареждане и изхвърляне. Силно графитизиран MCMB се получава чрез подлагане на органична материя на въглищния катран на термична поликондензация, за да се получат мезофазни въглеродни топчета, които след това се пречистват чрез екстракция на разтворителя и други методи и след това се обработват с топлина. Като отрицателен електроден материал за литиево-йонни батерии, MCMB оказва голямо влияние върху характеристиките на литий, поради температурата и времето на обработката на топлината. MCMB е един от основните отрицателни електродни материали, които понастоящем се използват в малки литиево-йонни батерии и захранващи батерии, но основните му проблеми са ниският специфичен капацитет и високата цена.

В допълнение към MCMB има и други форми на изкуствен графит, направени от графитизиращ въглерод. Графитни влакна, депозирани от пара, е графитизиран материал от влакна с тръбна куха структура. Като отрицателен електроден материал за литиево-йонни батерии, той има специфичен капацитет от над 320mA-H/g и първоначална ефективност на зареждане и изпускане от 93%. В сравнение с други въглеродни или графитни отрицателни електродни материали, литиево-йонните батерии, използващи графитни влакна, депозирани с пара, като отрицателен електрод имат по-отлична голяма характеристика на изпускането на ток и нискотемпературната работа и по-дългия живот на цикъла. Въпреки това, поради сложния процес на подготовка на материалите с графитни влакна, депозирани от газова фаза и високи материали, мащабното му приложение в литиево-йонните батерии подлежи на определени ограничения. Изкуственият графит, приготвен чрез допинг, структурна регулиране или модификация на повърхността на лесно графитизиран въглерод, като петролен кокс и обработка с високотемпературна графитизация, има добра производителност на цикъла и цена по-ниска от MCMB. В момента Япония и други страни са започнали действително производство и употреба. Има и много недостатъци на графита като отрицателен електрод, като например: SEI филмът се образува по време на цикъла на заряда и разреждане, причинявайки разширяване на матрицата и загуба на капацитет, като същевременно причинява графитния слой да се отлепи и намалява живота; Графитният материал има лоша съвместимост с PC разтворителя; Li* може да бъде вграден и извлечен само от границата на люспите и поради малката зона за реакция на вграждане/екстракция и дълъг път на дифузия, той не е подходящ за голямо зареждане и изхвърляне на ток; Температурата на графитна топлинна обработка обикновено трябва да бъде над 2000c, което увеличава производствените разходи; Когато потенциалът достигне 0V или по -нисък, върху графитния електрод може да се отлага метален литий. Поради горните недостатъци на немодифицирания графит, модифицираният графит се използва широко на практика. Сред тях повърхностното покритие, химическата модификация и сфероидизацията са основните методи на лечение понастоящем. Повърхностното покритие включва органично покритие и неорганично покритие, а химическата модификация включва главно окисляване, редукция и повърхностна химическа модификация.