Роль природного графита в литий-ионных аккумуляторах

Литий-ионный аккумулятор, также известный как аккумулятор-кресло-качалка, его основными компонентами являются положительный электрод, отрицательный электрод, диафрагма и электролит. В настоящее время шпинель LiMn2O4 или оксид на основе никеля обычно используется в качестве положительного электрода литий-ионной аккумуляторной батареи, в то время как графит является основным отрицательным электродом, а органический раствор карбоната LiPF6 (EC, EMC) используется в качестве электролита. LiMn2O4 считается самым безопасным материалом и самым дешевым анодным материалом и используется в различных аккумуляторных батареях. Li (NiCo) O2 обладает высокой емкостью, но низкими характеристиками безопасности, которые необходимо улучшить путем модификации легирования и ограничения его напряжения. Учитывая безопасность и стоимость аккумулятора транспортного средства, LiFePO4 LiFePO4 имеет хорошую безопасность и длительный срок службы и является наиболее подходящим анодным материалом для литий-ионного аккумулятора, используемого в автомобильном силовом аккумуляторе.

Плотность энергии литий-ионного аккумулятора во многом зависит от материалов анода. Начиная с коммерциализации литий-ионных аккумуляторов и до настоящего времени, наиболее зрелыми анодными материалами и наиболее широко используемыми являются углеродные материалы, среди которых графит по-прежнему является наиболее важным. Графит имеет шестичленную кольцевую углеродную сетчатую слоистую структуру, углеродный углерод - SP2, гибридизованный между слоями - это молекулярная силовая связь. В графите есть две различные кристаллические структуры: гексаэдрический графит (2H) и ромбоэдрический графит (3R). Структура накопления 3R фазы - ABCABC. Две фазы могут заменять друг друга, 2 часа - термодинамическая стабильность фаз, в графите больше, около четырех 5 из всех анодных материалов литий-ионных батарей, природный графит и искусственный графит были самыми большими анодными материалами, но из-за искусственный графит в процессе производства требует высокотемпературной обработки, стоимость производства значительно увеличилась и воздействие на окружающую среду, по сравнению с искусственным графитом, природный графит имеет много преимуществ, его низкая стоимость, высокая степень кристаллизации, очистка, дробление, сортировка, зрелость Технология, платформа с низким зарядным и разрядным напряжением, теория высокой удельной емкости - все это для применения в производстве литий-ионных аккумуляторов заложило хорошую основу.

Природный графит делится на аморфный графит (почвоподобный графит или микрокристаллический графит) и чешуйчатый графит. Теоретическая емкость 372mAh / g. Чистота аморфного графита низкая, а расстояние между кристаллическими плоскостями (d002) графита составляет 0,336 нм. Это в основном упорядочивающая структура кристаллической плоскости 2H, то есть слой графита в соответствии с ABAB ... Чтобы ориентация отдельных микрокристаллов представляла собой анизотропию, но после обработки микрокристаллические частицы взаимодействуют друг с другом в определенной степени, образуя массивные или зернистые частицы с изотропными свойствами. А сформированные частицы блока легко измельчаются до частиц правильной формы.

В процессе имплантации и деимплантации литий-ионных аккумуляторов объем мало меняется, а структура относительно стабильна, но обратимая удельная емкость составляет всего 260 мАч / г, а необратимая удельная емкость составляет более 100 мАч / г. Чешуйчатый графит имеет высокую кристалличность, крупную блочную структуру и очевидную анизотропию. Эта структура определяет, что объем графита сильно изменяется в процессе имплантации и деимплантации лития, что приводит к разрушению структуры графитового слоя, что приводит к большой необратимой потере емкости и резкому ухудшению рабочих характеристик цикла.

Как анодный графит литий-ионного аккумулятора, микролитовые чернила и чешуйчатый графит впервые имеют большой недостаток необратимой емкости, а производительность цикла чешуйчатого графита и производительность заряда и разряда при большом токе низка, поэтому при использовании исследователи склонны сосредотачиваться на модификации природного графита изучается, чтобы улучшить собственные структурные недостатки, улучшить характеристики батареи. Среди них модификация графитового анода в основном включает обработку поверхности, поверхностное покрытие, легирование элементов и т. Д. Исследования модификации будут подробно описаны ниже.

Модификация графитовых анодных материалов

1. Поверхностное окисление

Окисление поверхности, главным образом, в нерегулярной границе раздела электродов (зубчатый венец и кресло-качалка), образование кислотных групп (таких как -OH, -COOH и т. Д.) До того, как интеркалированные эти группы могут предотвратить встраивание молекул растворителя и улучшить смачиваемость между электродом электролит, уменьшающий импеданс на границе раздела, впервые, когда интеркалированный -li в литиевую соль карбоновой кислоты и поверхностные -Oli-группы образуют стабильную пленку SEI. Кроме того, окисление может удалить часть дефектной структуры графита, а образовавшиеся микропоры наноуровня можно использовать в качестве дополнительного места для хранения лития для повышения емкости хранения лития.

Поверхностное окисление обычно включает окисление в газовой фазе и окисление в жидкой фазе. В основном окисление в газовой фазе воздуха, газы O2, O3, CO2, C2H2 в качестве окислителя, такие как реакция границы раздела газ-твердое тело с графитом, уменьшают активные точки на поверхности графита, впервые снижают необратимую потерю емкости, в то же время время, генерировать больше пор и нанопор, добавляя пространство для хранения ионов лития, чтобы улучшить обратимую емкость, улучшить характеристики катода. Ву Ю равен обычному природному графиту под 500 ℃ в модификации окисления воздуха для обработки. Повышена стабильность структуры модифицированного графита, увеличено количество нанометровых пор и каналов. Кроме того, оксидный слой, образующийся во время окисления, тесно связан с графитом, образуя плотную пассивирующую пленку, которая предотвращает реакцию сольватации электролита в графит и улучшает обратимую способность графита. Метод жидкофазного окисления заключается в использовании сульфата церия, серной кислоты, азотной кислоты, перекиси водорода и другого сильного раствора окислителя через жидко-твердофазную реакцию для достижения. Было проведено поверхностное окисление природного графита насыщенным раствором серной кислоты и персульфата аммония, при этом обратимая емкость графита была увеличена до 349 мАч / г, а кулоновский КПД увеличен впервые.

2. Покрытие поверхности

Модификация поверхности графитовых анодных материалов в основном включает углеродную оболочку, металл или неметалл, а также ее оксидную оболочку и полимерную оболочку. Обратимая удельная емкость, начальная кулоновская эффективность, циклические характеристики и характеристики заряда-разряда электрода могут быть улучшены путем нанесения покрытия на поверхность. Отправной точкой модификации поверхностного покрытия графитовых материалов является:

Посредством поверхностного плакирования удельная площадь поверхности графита уменьшается, а литий, потребляемый пленкой SEI, уменьшается, чтобы повысить эффективность первого кулона материала.

При нанесении покрытия количество активных точек на поверхности графита уменьшается, свойства поверхности остаются однородными, предотвращается совместное включение растворителя и сокращаются необратимые потери.

3. Оболочка из аморфного углерода.

В покрывающем слое аморфного углеродного графита структура «ядро-оболочка» композитов C / C, контакт аморфного углерода с растворителем, растворитель, чтобы избежать прямого контакта с графитом, остановка молекулами растворителя была внедрена в явление отделения графитового слоя, расширение В области выбора электролита царство равенства будет естественным чешуйчатым графитом, превращенным в сферический графит, на его поверхности нанесен слой нанометрового графитированного углеродного материала с модификацией структуры ядро-оболочка из сферического графита, модификация сферического графита значительно улучшена плотность утряски. , и обратимая емкость до 365 мАч г-1, в то же время. Впервые были значительно улучшены кулоновский КПД и стабильность цикла.

Литий-ионные батареи с большой емкостью, высоким напряжением, высокой циклической стабильностью, высокой плотностью энергии, отсутствием загрязнения окружающей среды и другими превосходными популярными свойствами, известными как экологически чистая энергия и доминирующая энергия в 21 веке, имеют широкие перспективы для гражданского и оборонного применения. , расширяя область применения, не только широко и успешно применяется ко всем видам портативных электронных продуктов, но и начала развиваться в направлении аккумуляторных батарей. В настоящее время литий-ионный аккумулятор и его основные материалы стали предметом внимания науки, техники и промышленности во многих странах. До сих пор литий-ионные батареи продавались с наиболее зрелыми анодными материалами и наиболее широко используемыми углеродными материалами, среди которых графит по-прежнему является наиболее важным. Природный графит обладает такими преимуществами, как низкая стоимость, высокая степень кристаллизации, зрелая технология очистки, дробления и сортировки, платформа с низким зарядным и разрядным напряжением и высокая теоретическая емкость. Однако структурные дефекты природного графита впервые приводят к низкой эффективности и плохой циркуляции. Поэтому совершенно необходимо разработать методы модификации природного графита.

Страница содержит содержимое машинного перевода.