Kiến thức cơ bản về vật liệu điện cực âm - Vật liệu than chì

Kiến thức cơ bản về vật liệu điện cực âm - Vật liệu than chì
Than chì là một trong những vật liệu điện cực âm carbon sớm nhất được sử dụng trong pin lithium-ion. Nó có độ dẫn tốt, độ kết tinh cao và cấu trúc nhiều lớp tốt. Nó rất phù hợp cho việc chèn/chiết xuất các ion lithium để tạo thành các hợp chất xen kẽ graphite. Công suất cụ thể giải phóng điện tích có thể đạt hơn 300mA-H/g, hiệu suất giải quyết điện tích là hơn 90%và công suất không thể đảo ngược nhỏ hơn 50mA • h/g. Phản ứng chiết xuất lithium trong than chì xảy ra ở khoảng 0 ~ 0,25V (so với li+/li). Nó có một nền tảng tiềm năng phí điện tích tốt và có thể phù hợp với nhiều vật liệu điện cực dương bao gồm Limn2O4. Điện áp đầu ra trung bình của pin cao. Nó hiện là vật liệu điện cực âm được sử dụng rộng rãi nhất cho pin lithium-ion. Than chì thuộc hệ thống tinh thể lục giác. Các tinh thể của nó bao gồm các mặt phẳng lưới lục giác bao gồm các nguyên tử carbon và thường xuyên được xếp chồng lên nhau. Nó có một cấu trúc nhiều lớp.
Trong mỗi lớp, các nguyên tử carbon được sắp xếp theo hình lục giác và mỗi nguyên tử carbon được liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử carbon liền kề với một quỹ đạo lai SP2 và các electron trên các liên kết được định vị lại dạng quỹ đạo P còn lại. Hiện tại, các vật liệu carbon dựa trên than chì trên thị trường chủ yếu bao gồm các loại sau: microbead carbon mesophase graphase cao (MCMB), sợi graphitized, than chì nhân tạo và than chì tự nhiên.

MCMB có hình dạng tổng thể hình cầu, mật độ xếp chồng cao, cấu trúc xếp chồng lớp có trật tự cao và công suất nhúng lithium tương đối lớn trên một đơn vị thể tích. Nó được phát triển và sản xuất lần đầu tiên bởi Công ty Gas Osaka của Nhật Bản và được sử dụng làm vật liệu điện cực âm cho pin lithium-ion. MCMB có bề mặt mịn và diện tích bề mặt riêng nhỏ, có thể làm giảm sự xuất hiện của các phản ứng ranh giới điện cực trong quá trình sạc và xả, do đó làm giảm tổn thất công suất trong quá trình sạc đầu tiên; Ngoài ra, quả bóng nhỏ có cấu trúc lamellar, có lợi cho việc nhúng và khử trùng các ion lithium từ tất cả các hướng của quả bóng, làm giảm sưng và sụp đổ các tấm than chì gây ra bởi bất đẳng hướng quá mức của vật liệu than chì, và do đó có khả năng gây cháy và biến động nhanh. MCMB được đồ họa cao thu được bằng cách đưa chất hữu cơ của than đá than vào polycondensation nhiệt để thu được các quả bóng carbon mesophase, sau đó được tinh chế bằng chiết dung môi và các phương pháp khác và sau đó được xử lý nhiệt. Là vật liệu điện cực âm cho pin lithium-ion, MCMB có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chèn lithium của nó do nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt. MCMB là một trong những vật liệu điện cực âm chính hiện đang được sử dụng trong pin lithium-ion nhỏ trong thời gian dài và pin điện, nhưng các vấn đề chính của nó là công suất cụ thể thấp và giá cao.

Ngoài MCMB, còn có các dạng than chì nhân tạo khác được làm từ carbon có thể graphitizable. Sợi than chì lắng đọng hơi là một vật liệu sợi graphitized với cấu trúc rỗng hình ống. Là vật liệu điện cực âm cho pin lithium-ion, nó có công suất riêng được phóng điện hơn 320mA-H/g và hiệu suất phóng điện và điện tích ban đầu là 93%. So với các vật liệu điện cực âm carbon hoặc than chì khác, pin lithium-ion sử dụng sợi than chì lắng đọng hơi vì điện cực âm có hiệu suất phóng điện lớn hơn tuyệt vời và hiệu suất phóng điện nhiệt độ thấp và tuổi thọ dài hơn. Tuy nhiên, do quá trình chuẩn bị phức tạp của vật liệu sợi than chì pha khí và chi phí vật liệu cao, ứng dụng quy mô lớn của nó trong pin lithium-ion phải chịu một số hạn chế nhất định. Chân than nhân tạo được điều chế bằng cách pha tạp, điều chỉnh cấu trúc hoặc sửa đổi bề mặt của carbon dễ dàng graphit hóa như than cốc dầu khí và xử lý graphit hóa nhiệt độ cao có hiệu suất chu kỳ tốt và giá thấp hơn MCMB. Hiện tại, Nhật Bản và các quốc gia khác đã bắt đầu sản xuất và sử dụng thực tế. Ngoài ra còn có nhiều nhược điểm của than chì như một điện cực âm, chẳng hạn như: màng SEI được hình thành trong chu kỳ sạc và phóng điện, gây ra sự mở rộng ma trận và mất công suất, trong khi khiến lớp than chì bong tróc và giảm sự sống; Vật liệu than chì có khả năng tương thích kém với dung môi PC; Li* chỉ có thể được nhúng và trích xuất từ ​​ranh giới vảy, và do vùng phản ứng nhúng/chiết nhỏ và đường khuếch tán dài, nó không phù hợp với sạc và xả dòng điện lớn; Nhiệt độ xử lý nhiệt than chì thường cần ở trên 2000C, làm tăng chi phí sản xuất; Khi tiềm năng đạt 0V hoặc thấp hơn, lithium kim loại có thể được lắng đọng trên điện cực than chì. Do những nhược điểm trên của than chì không biến đổi, than chì đã được sửa đổi được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Trong số đó, lớp phủ bề mặt, sửa đổi hóa học và hình cầu là các phương pháp xử lý chính hiện nay. Lớp phủ bề mặt bao gồm lớp phủ hữu cơ và lớp phủ vô cơ, và sửa đổi hóa học chủ yếu bao gồm quá trình oxy hóa, khử và sửa đổi hóa học bề mặt.