Basiskennis van negatieve elektrodenmaterialen - grafietmaterialen

Basiskennis van negatieve elektrodenmaterialen - grafietmaterialen
Grafiet is een van de eerste koolstof negatieve elektrodenmaterialen die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen. Het heeft een goede geleidbaarheid, hoge kristalliniteit en een goede gelaagde structuur. Het is zeer geschikt voor het invoegen/extractie van lithiumionen om lithium-grafiet tussenlagen te vormen. De specifieke capaciteit van ladingontlading kan meer dan 300 mA-H/g bereiken, de efficiëntie van ladingontlading is meer dan 90%en de onomkeerbare capaciteit is minder dan 50 mA • H/g. De lithiumextractiereactie in grafiet vindt plaats bij ongeveer 0 ~ 0,25V (versus Li+/Li). Het heeft een goed potentieel platform voor ladingontlading en kan veel positieve elektrodematerialen matchen, waaronder LIMN2O4. De gemiddelde uitgangsspanning van de batterij is hoog. Het is momenteel het meest gebruikte negatieve elektrodenmateriaal voor lithium-ionbatterijen. Grafiet behoort tot het zeshoekige kristallen systeem. De kristallen zijn samengesteld uit zeshoekige gaasvliegtuigen die uit koolstofatomen zijn samengesteld en worden regelmatig gestapeld. Het heeft een gelaagde structuur.
In elke laag worden koolstofatomen gerangschikt in een zeshoek en elk koolstofatoom wordt covalent gebonden aan drie aangrenzende koolstofatomen met een SP2 -hybride orbitaal en de elektronen op de resterende P orbitale vorm -gedelokaliseerde bindingen. Momenteel bevatten de op grafiet gebaseerde koolstofmaterialen op de markt voornamelijk de volgende categorieën: sterk grafitiseerde mesophase-koolmicrobeads (MCMB), grafitiseerde vezels, kunstmatig grafiet en natuurlijk grafiet.

MCMB heeft een bolvormige algehele vorm, een hoog stapel dichtheid, een zeer geordende laagstapstructuur en een relatief groot lithium -inbeddingscapaciteit per volume -eenheid. Het werd voor het eerst ontwikkeld en geproduceerd door Osaka Gas Company van Japan en wordt gebruikt als een negatief elektrodenmateriaal voor lithium-ionbatterijen. MCMB heeft een glad oppervlak en een klein specifiek oppervlak, dat het optreden van elektrodegrensreacties tijdens het laden en ontladen kan verminderen, waardoor het capaciteitsverlies tijdens het eerste laadproces wordt verminderd; Bovendien heeft de kleine bal een lamellaire structuur, die bevorderlijk is voor het inbedden en de-embedden van lithiumionen uit alle richtingen van de bal, waardoor de zwelling en instorting van grafietbladen veroorzaakt door overmatige anisotropie van grafietmaterialen worden verminderd en dus een bepaalde snelle en hoge stroomafhankelijkheid en ontladende capabiliteit heeft. Sterk grafitiseerde MCMB wordt verkregen door het onderwerpen van organische stof van koolteer toonhoogte aan thermische polycondensatie om mesofase koolstofballen te verkrijgen, die vervolgens worden gezuiverd door oplosmiddelextractie en andere methoden en vervolgens worden behandeld. Als een negatief elektrodenmateriaal voor lithium-ionbatterijen heeft MCMB een grote invloed op de prestaties van de lithiuminvoeging door warmtebehandelingstemperatuur en tijd. MCMB is een van de belangrijkste negatieve elektrodenmaterialen die momenteel worden gebruikt in lange lithium-ionbatterijen en stroombatterijen, maar de belangrijkste problemen zijn een lage specifieke capaciteit en een hoge prijs.

Naast MCMB zijn er andere vormen van kunstmatige grafiet gemaakt van grafitiseerbare koolstof. Damp-afgezette grafietvezel is een grafitiseerd vezelmateriaal met een buisvormige holle structuur. Als een negatief elektrodenmateriaal voor lithium-ionbatterijen heeft het een ontladingsspecifieke capaciteit van meer dan 320 mA-H/g en een initiële lading en ontladingsefficiëntie van 93%. Vergeleken met andere koolstof- of grafiet-negatieve elektrodenmaterialen, hebben lithium-ionbatterijen met behulp van dampafgooide grafietvezel als negatieve elektrode meer uitstekende grote stroomafvoerprestaties en lage temperatuur ontladingsprestaties en een langere levensduur van de cyclus. Vanwege het complexe bereidingsproces van gasfase-afgezette grafietvezelmaterialen en hoge materiaalkosten, is de grootschalige toepassing in lithium-ionbatterijen echter onderworpen aan bepaalde beperkingen. Kunstmatige grafiet bereid door doping, structurele aanpassing of oppervlaktemodificatie van gemakkelijk grafitiseerde koolstof zoals petroleum cola en grafitisatiebehandeling met hoge temperatuur heeft een goede cyclusprestaties en een prijs die lager is dan MCMB. Momenteel zijn Japan en andere landen begonnen met daadwerkelijke productie en gebruik. Er zijn ook veel nadelen van grafiet als een negatieve elektrode, zoals: SEI -film wordt gevormd tijdens de lading- en ontladingscyclus, waardoor matrixuitbreiding en capaciteitsverlies wordt veroorzaakt, terwijl de grafietlaag wordt afgeschilderd en het leven vermindert; Grafietmateriaal heeft een slechte compatibiliteit met PC -oplosmiddel; Li* kan alleen worden ingebed en geëxtraheerd uit de vlokgrens, en vanwege het kleine inbeddding/extractiereactiegebied en het lange diffusiepad is het niet geschikt voor het laden en ontladen van grote stroom; De grafiet warmtebehandelingstemperatuur moet meestal boven 2000 ° C zijn, wat de productiekosten verhoogt; Wanneer het potentieel 0V of lager bereikt, kan metalen lithium worden afgezet op de grafietelektrode. Vanwege de bovenstaande nadelen van ongewijzigde grafiet wordt in de praktijk veel gemodificeerd grafiet gebruikt. Onder hen zijn oppervlaktecoating, chemische modificatie en sferoïdisatie de belangrijkste behandelingsmethoden op dit moment. Oppervlaktecoating omvat organische coating en anorganische coating, en chemische modificatie omvat voornamelijk oxidatie, reductie en chemische oppervlaktechemische modificatie.