دانش اساسی در مورد مواد منفی الکترود - مواد گرافیتی

دانش اساسی در مورد مواد منفی الکترود - مواد گرافیتی
گرافیت یکی از اولین مواد الکترود منفی کربن است که در باتری های لیتیوم یون استفاده می شود. دارای رسانایی خوبی ، تبلور بالا و ساختار لایه ای خوب است. برای درج/استخراج یونهای لیتیوم برای تشکیل ترکیبات لایه لیتیوم-گرافیتی بسیار مناسب است. ظرفیت خاص شارژ هزینه می تواند به بیش از 300mA-H/g برسد ، راندمان بار تخلیه بیش از 90 ٪ و ظرفیت برگشت ناپذیر کمتر از 50 میلی آمپر • H/G است. واکنش استخراج لیتیوم در گرافیت در حدود 0.25 ولت 0 0 (در مقابل لی+/li) رخ می دهد. این سیستم دارای یک سکوی بالقوه تخلیه شارژ خوب است و می تواند با بسیاری از مواد الکترود مثبت از جمله Limn2O4 مطابقت داشته باشد. متوسط ​​ولتاژ خروجی باتری زیاد است. در حال حاضر این ماده بیشترین استفاده از الکترود منفی برای باتری های لیتیوم یون است. گرافیت متعلق به سیستم کریستال شش ضلعی است. کریستال های آن از هواپیماهای مش شش ضلعی تشکیل شده از اتم های کربن تشکیل شده و مرتباً انباشته می شوند. ساختار لایه ای دارد.
در هر لایه ، اتم های کربن به صورت شش ضلعی چیده شده اند و هر اتم کربن به صورت کووالانسی به سه اتم کربن مجاور با مداری هیبریدی SP2 وصل می شود و الکترونهای موجود در مداری P باقی مانده پیوندهای جابجایی می کنند. در حال حاضر ، مواد کربن مبتنی بر گرافیت در بازار عمدتاً شامل دسته های زیر است: میکروبیدهای کربن بسیار گرافیکی مزوفاز (MCMB) ، الیاف گرافیکی ، گرافیت مصنوعی و گرافیت طبیعی.

MCMB دارای یک شکل کلی کروی ، چگالی انباشت بالا ، یک ساختار انباشت لایه ای بسیار مرتب و ظرفیت تعبیه لیتیوم نسبتاً بزرگ در هر واحد است. این نخستین بار توسط شرکت گاز اوزاکا از ژاپن تهیه و تولید شد و به عنوان یک ماده الکترود منفی برای باتری های لیتیوم یون استفاده می شود. MCMB دارای یک سطح صاف و یک سطح خاص خاص است که می تواند در هنگام شارژ و تخلیه ، بروز واکنشهای مرزی الکترود را کاهش دهد ، در نتیجه از بین رفتن ظرفیت در اولین فرآیند شارژ کاهش می یابد. علاوه بر این ، توپ کوچک دارای یک ساختار لایه ای است که منجر به تعبیه و تعبیه یون های لیتیوم از همه جهات توپ می شود و تورم و فروپاشی ورق های گرافیتی ناشی از ناهمسانگردی بیش از حد مواد گرافیتی را کاهش می دهد ، و بنابراین دارای شارژ سریع و بالایی است که دارای شارژ و قابلیت استفاده از جریان سریع است. MCMB بسیار گرافیکی با قرار دادن ماده آلی زغال سنگ زغال سنگ به پلی کانسیل حرارتی برای به دست آوردن توپ های کربن مزوفاز بدست می آید ، که سپس با استخراج حلال و سایر روشها خالص می شوند و سپس تحت درمان قرار می گیرند. به عنوان یک ماده الکترود منفی برای باتری های لیتیوم یون ، MCMB به دلیل دمای و زمان عملیات حرارتی تأثیر زیادی در عملکرد درج لیتیوم دارد. MCMB یکی از اصلی ترین مواد الکترود منفی است که در حال حاضر در باتری های کوچک لیتیوم یون و باتری های قدرتمند در طول عمر مورد استفاده قرار می گیرد ، اما مشکلات اصلی آن ظرفیت کم و قیمت بالایی است.

علاوه بر MCMB ، اشکال دیگری از گرافیت مصنوعی ساخته شده از کربن قابل استفاده وجود دارد. فیبر گرافیت بخار بخار یک ماده فیبر گرافیکی با ساختار توخالی لوله ای است. به عنوان یک ماده الکترود منفی برای باتری های لیتیوم یون ، دارای ظرفیت خاص تخلیه بیش از 320ma-h/g و بازده بار و تخلیه اولیه 93 ٪ است. در مقایسه با سایر مواد الکترود منفی کربن یا گرافیت ، باتری های لیتیوم یون با استفاده از فیبر گرافیتی با بخار به عنوان الکترود منفی عملکرد تخلیه جریان بزرگ و عملکرد تخلیه دمای پایین و عمر چرخه طولانی تر دارند. با این حال ، با توجه به فرآیند آماده سازی پیچیده مواد فیبر گرافیتی سپرده شده فاز گاز و هزینه بالای مواد ، کاربرد در مقیاس بزرگ آن در باتری های لیتیوم یون مشمول محدودیت های خاصی است. گرافیت مصنوعی تهیه شده توسط دوپینگ ، تنظیم ساختاری یا اصلاح سطح کربن به راحتی گرافیکی مانند کک نفتی و درمان گرافیت با دمای بالا عملکرد چرخه خوبی و قیمت پایین تر از MCMB دارد. در حال حاضر ، ژاپن و سایر کشورها تولید و استفاده واقعی را آغاز کرده اند. همچنین بسیاری از مضرات گرافیت به عنوان یک الکترود منفی وجود دارد ، مانند: فیلم SEI در طول چرخه بار و تخلیه شکل می گیرد و باعث گسترش ماتریس و از بین رفتن ظرفیت می شود ، در حالی که باعث می شود لایه گرافیت لایه برداری شود و زندگی را کاهش دهد. مواد گرافیتی سازگاری ضعیفی با حلال PC دارد. Li* فقط می تواند از مرز پوسته تعبیه و استخراج شود ، و به دلیل منطقه تعبیه/استخراج کوچک و مسیر انتشار طولانی ، برای شارژ و تخلیه جریان بزرگ مناسب نیست. دمای عملیات حرارتی گرافیت معمولاً باید بالاتر از 2000 درجه سانتیگراد باشد که هزینه تولید را افزایش می دهد. هنگامی که پتانسیل به 0 ولت یا پایین می رسد ، لیتیوم فلزی ممکن است روی الکترود گرافیت قرار گیرد. با توجه به مضرات فوق از گرافیت اصلاح نشده ، گرافیت اصلاح شده به طور گسترده ای در عمل استفاده می شود. در میان آنها ، پوشش سطح ، اصلاح شیمیایی و کروی از روشهای اصلی درمان در حال حاضر هستند. پوشش سطح شامل پوشش آلی و پوشش معدنی است و اصلاح شیمیایی عمدتا شامل اکسیداسیون ، کاهش و اصلاح شیمیایی سطح است.