ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ - วัสดุกราไฟท์

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ - วัสดุกราไฟท์
กราไฟท์เป็นหนึ่งในวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบคาร์บอนที่เก่าแก่ที่สุดที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มันมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีผลึกสูงและโครงสร้างชั้นดี มันเหมาะมากสำหรับการแทรก/การสกัดของลิเธียมไอออนเพื่อสร้างสารประกอบอินเตอร์เลย์ลิเธียม-กราฟิท ความสามารถจำเพาะของค่าใช้จ่ายในการจ่ายประจุสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 300mA-H/g ประสิทธิภาพการปล่อยประจุมากกว่า 90%และความสามารถที่กลับไม่ได้น้อยกว่า 50mA • H/g ปฏิกิริยาการสกัดลิเธียมในกราไฟท์เกิดขึ้นที่ประมาณ 0 ~ 0.25V (เทียบกับ li+/li) มันมีแพลตฟอร์มที่มีศักยภาพในการปล่อยประจุที่ดีและสามารถจับคู่วัสดุอิเล็กโทรดเชิงบวกจำนวนมากรวมถึง LIMN2O4 แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยของแบตเตอรี่สูง ปัจจุบันเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กราไฟท์เป็นของระบบคริสตัลหกเหลี่ยม ผลึกของมันประกอบด้วยระนาบตาข่ายหกเหลี่ยมประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนและซ้อนกันเป็นประจำ มันมีโครงสร้างชั้น
ในแต่ละชั้นอะตอมของคาร์บอนจะถูกจัดเรียงในรูปหกเหลี่ยมและแต่ละอะตอมคาร์บอนจะถูกผูกมัดโควาเลนท์กับอะตอมคาร์บอนที่อยู่ติดกันสามอะตอมที่มีวงโคจรไฮบริด SP2 และอิเล็กตรอนในรูปแบบ p orbital ที่เหลืออยู่ ปัจจุบันวัสดุคาร์บอนที่ทำจากกราไฟท์ในตลาดส่วนใหญ่รวมถึงหมวดหมู่ต่อไปนี้: mesophase mesophase microbeads (MCMB) กราฟที่มีกราฟที่มีกราฟที่กราฟ

MCMB มีรูปร่างโดยรวมทรงกลมความหนาแน่นของการซ้อนสูงโครงสร้างการซ้อนชั้นที่ได้รับคำสั่งสูงและความสามารถในการฝังลิเธียมที่ค่อนข้างใหญ่ต่อปริมาตรหน่วย มันได้รับการพัฒนาเป็นครั้งแรกและผลิตโดย บริษัท ก๊าซโอซาก้าของญี่ปุ่นและใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน MCMB มีพื้นผิวที่ราบรื่นและพื้นที่ผิวเฉพาะขนาดเล็กซึ่งสามารถลดการเกิดปฏิกิริยาของขั้วไฟฟ้าในระหว่างการชาร์จและการปลดปล่อยซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียความจุในระหว่างกระบวนการชาร์จครั้งแรก นอกจากนี้ลูกบอลขนาดเล็กยังมีโครงสร้าง lamellar ซึ่งเอื้อต่อการฝังและปล่อยไอออนลิเธียมไอออนจากทุกทิศทางของลูกบอลลดอาการบวมและการยุบของแผ่นกราไฟท์ที่เกิดจากแอนไอโซโทรปินของวัสดุกราไฟท์มากเกินไป MCMB กราฟที่มีกราฟสูงนั้นได้มาจากการใช้สารอินทรีย์ถ่านหินถ่านหินไปยัง polycondensation ความร้อนเพื่อให้ได้ลูกบอลคาร์บอน mesophase ซึ่งจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการสกัดตัวทำละลายและวิธีการอื่น ๆ จากนั้นรับความร้อน ในฐานะที่เป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน MCMB มีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการแทรกลิเธียมเนื่องจากอุณหภูมิและเวลาในการรักษาความร้อน MCMB เป็นหนึ่งในวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบหลักในปัจจุบันที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดเล็กและแบตเตอรี่พลังงาน แต่ปัญหาหลักของมันคือความจุที่เฉพาะเจาะจงและราคาสูง

นอกเหนือจาก MCMB แล้วยังมีกราไฟท์เทียมรูปแบบอื่นที่ทำจากคาร์บอนกราฟ ไฟเบอร์กราไฟท์ที่มีไอน้ำ-ออกเป็นวัสดุไฟเบอร์กราฟที่มีโครงสร้างกลวงท่อ ในฐานะที่เป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความจุเฉพาะการปล่อยมากกว่า 320mA-h/g และการชาร์จเริ่มต้นและประสิทธิภาพการปลดปล่อย 93% เมื่อเทียบกับวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบของคาร์บอนหรือกราไฟท์อื่น ๆ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยใช้เส้นใยกราไฟท์ที่มีไอน้ำที่ถูกทิ้งเป็นอิเล็กโทรดเชิงลบมีประสิทธิภาพการปล่อยกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ยอดเยี่ยมมากขึ้นและประสิทธิภาพการปล่อยอุณหภูมิต่ำและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น อย่างไรก็ตามเนื่องจากกระบวนการเตรียมการที่ซับซ้อนของวัสดุไฟเบอร์กราไฟท์ที่สะสมและต้นทุนวัสดุสูงการใช้งานขนาดใหญ่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีข้อ จำกัด บางประการ กราไฟท์เทียมที่จัดทำขึ้นโดยยาสลบการปรับโครงสร้างหรือการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของคาร์บอนกราฟที่ทำกราฟได้ง่ายเช่นโค้กปิโตรเลียมและการรักษากราฟการทำให้เป็นอุณหภูมิสูงมีประสิทธิภาพรอบที่ดีและราคาต่ำกว่า MCMB ปัจจุบันญี่ปุ่นและประเทศอื่น ๆ ได้เริ่มการผลิตและการใช้งานจริง นอกจากนี้ยังมีข้อเสียมากมายของกราไฟท์เป็นอิเล็กโทรดเชิงลบเช่น: ฟิล์ม SEI เกิดขึ้นในระหว่างรอบการชาร์จและการปล่อยทำให้การขยายตัวของเมทริกซ์และการสูญเสียกำลังการผลิตในขณะที่ทำให้ชั้นกราไฟท์ลอกออกและลดอายุการใช้งาน; วัสดุกราไฟท์มีความเข้ากันได้ไม่ดีกับตัวทำละลายพีซี Li* สามารถฝังและสกัดได้จากขอบเขตเกล็ดเท่านั้นและเนื่องจากพื้นที่ปฏิกิริยาการฝัง/การสกัดขนาดเล็กและเส้นทางการแพร่กระจายยาวจึงไม่เหมาะสำหรับการชาร์จและการปล่อยกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ อุณหภูมิการบำบัดความร้อนกราไฟท์มักจะต้องสูงกว่า 2000C ซึ่งเพิ่มต้นทุนการผลิต เมื่อมีศักยภาพถึง 0V หรือต่ำกว่าลิเธียมโลหะอาจถูกฝากไว้ในอิเล็กโทรดกราไฟท์ เนื่องจากข้อเสียข้างต้นของกราไฟท์ที่ไม่ได้แก้ไขกราไฟท์ที่ได้รับการดัดแปลงจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางปฏิบัติ ในหมู่พวกเขาการเคลือบผิวการดัดแปลงทางเคมีและการทำให้เป็นทรงกลมเป็นวิธีการรักษาหลักในปัจจุบัน การเคลือบผิวรวมถึงการเคลือบอินทรีย์และการเคลือบอนินทรีย์และการปรับเปลี่ยนทางเคมีส่วนใหญ่รวมถึงการเกิดออกซิเดชันการลดลงและการปรับเปลี่ยนสารเคมีพื้นผิว