Die Rolle von natürlichem Graphit in Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterie, auch als Schaukelstuhlbatterie bekannt, deren Hauptkomponenten positive Elektrode, negative Elektrode, Membran und Elektrolyt sind. Gegenwärtig wird im Allgemeinen Spinell-LiMn2O4 oder Oxid auf Nickelbasis als positive Elektrode einer Lithiumionen-Leistungsbatterie verwendet, während Graphit die wichtigste negative Elektrode ist und eine organische LiPF6-Carbonatlösung (EC, EMC) als Elektrolyt verwendet wird. LiMn2O4 gilt als das sicherste und billigste Anodenmaterial und wurde in einer Vielzahl von Leistungsbatterien verwendet. Li (NiCo) O2 hat eine hohe Kapazität, aber eine schlechte Sicherheitsleistung, die durch Dotierungsmodifikation und Begrenzung der Spannung verbessert werden muss. In Anbetracht der Sicherheit und der Batteriekosten des Fahrzeugs bietet der LiFePO4 LiFePO4 eine gute Sicherheit und lange Lebensdauer und ist das am besten geeignete Anodenmaterial für die in der Autobatterie verwendete Lithium-Ionen-Batterie.

Die Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie hängt weitgehend von den Anodenmaterialien ab. Von der Kommerzialisierung der Lithium-Ionen-Batterie bis zur Gegenwart sind Kohlenstoffmaterialien die ausgereiftesten und am weitesten verbreiteten Anodenmaterialien, unter denen Graphit immer noch das wichtigste ist. Graphit hat eine sechsgliedrige Ringkohlenstoffnetzschichtstruktur, Kohlenstoffkohlenstoff ist SP2-hybridisiert zwischen der Schicht ist die molekulare Kraftverbindung. In Graphit gibt es zwei verschiedene Kristallstrukturen: hexaedrischen Graphit (2H) und rhomboedrischen Graphit (3R). Die akkumulationsstruktur der 3R-Phase ist ABCABC. Zwei Phasen können sich gegenseitig ändern, 2 h ist die thermodynamische Phasenstabilität, im Graphit sind mehr, etwa vier 5 der Gesamtmenge in den Lithiumionenbatterie-Anodenmaterialien, natürlicher Graphit und künstlicher Graphit waren die größten verwendeten Anodenmaterialien, aber aufgrund von Künstlicher Graphit im Produktionsprozess erfordert eine Hochtemperaturbehandlung, die Produktionskosten sind stark erhöht und die Umweltbelastung im Vergleich zu künstlichem Graphit hat natürlicher Graphit viele Vorteile, seine geringen Kosten, sein hoher Kristallisationsgrad, seine Reinigung, Zerkleinerung, Sortierung und Reifung Technologie, Plattform für niedrige Lade- und Entladespannungen, Theorie der hohen spezifischen Kapazität, diese für ihre Anwendung in der Lithium-Ionen-Batterieindustrie legte eine gute Grundlage.

Natürlicher Graphit wird in amorphen Graphit (bodenähnlicher Graphit oder mikrokristalliner Graphit) und Flockengraphit unterteilt. Die theoretische Kapazität beträgt 372 mAh / g. Die Reinheit von amorphem Graphit ist gering und der Abstand der Kristallebenen (d002) von Graphit beträgt 0,336 nm. Es handelt sich hauptsächlich um eine 2H-Kristallebenen-Sequenzierungsstruktur, dh die Graphitschicht gemäß ABAB ... In der Reihenfolge zeigt die Orientierung einzelner Mikrokristalle eine Anisotropie, aber nach der Verarbeitung interagieren die mikrokristallinen Partikel bis zu einem gewissen Grad miteinander und bilden sich massive oder körnige Partikel mit isotropen Eigenschaften. Und die gebildeten Blockpartikel lassen sich leicht zu gut geformten Partikeln zerkleinern.

Bei der Implantation und Deimplantation von Lithiumionen ändert sich das Volumen kaum und die Struktur ist relativ stabil, aber die reversible spezifische Kapazität beträgt nur 260 mAh / g und die irreversible spezifische Kapazität beträgt mehr als 100 mAh / g. Flockengraphit hat eine hohe Kristallinität, eine große Einheitsstruktur und eine offensichtliche Anisotropie. Diese Struktur bestimmt, dass sich das Volumen des Graphits während des Prozesses der Lithiumimplantation und -deplantation stark ändert, was zur Zerstörung der Graphitschichtstruktur führt, was zu einem großen irreversiblen Kapazitätsverlust und einer dramatischen Verschlechterung der Zyklusleistung führt.

Als Anodengraphit einer Lithium-Ionen-Batterie weisen Mikrolit-Tinte und Flockengraphit zum ersten Mal einen großen Mangel an irreversibler Kapazität auf, und die Leistung des Flockengraphitzyklus sowie die Leistung beim Laden und Entladen mit hohem Strom sind schlecht. Daher konzentrieren sich die Forscher bei der Verwendung eher auf die Leistung Auf die Modifikation von natürlichem Graphit wird untersucht, um seine eigenen strukturellen Fehler zu verbessern, die Leistung der Batterie zu verbessern. Unter diesen umfasst die Modifikation der Graphitanode hauptsächlich Oberflächenbehandlung, Oberflächenbeschichtung und Elementdotierung usw. Die Modifikationsforschung wird nachstehend ausführlich beschrieben.

Modifikation von Graphitanodenmaterialien

1. Oberflächenoxidation

Oberflächenoxidation hauptsächlich bei unregelmäßiger Elektrodengrenzfläche (Sägezahn und Schaukelstuhl) Bildung saurer Gruppen (wie -OH, -COOH usw.) vor dem Interkalieren-li Diese Gruppen können verhindern, dass Lösungsmittelmoleküle eingebettet wurden und verbessern die Benetzbarkeit zwischen der Elektrode / Elektrolyt, Impedanzgrenzfläche reduzieren, zum ersten Mal, wenn das in Carbonsäurelithiumsalz und Oberflächen-Oli-Gruppen eingelagerte Li einen stabilen SEI-Film bildet. Darüber hinaus kann durch Oxidation ein Teil der fehlerhaften Struktur von Graphit entfernt werden, und die erzeugten Mikroporen auf Nanoebene können als zusätzlicher Lithiumspeicherraum verwendet werden, um die Lithiumspeicherkapazität zu verbessern.

Die Oberflächenoxidation umfasst üblicherweise die Gasphasenoxidation und die Flüssigphasenoxidation. Hauptsächlich Luftgasphasenoxidation, O2-, O3-, CO2-, C2H2-Gase als Oxidationsmittel, wie die Gas-Feststoff-Grenzflächenreaktion mit Graphit, reduzieren aktive Punkte auf der Oberfläche des Graphits und reduzieren gleichzeitig den irreversiblen Kapazitätsverlust Zeit mehr Poren und Nanoporen erzeugen, Lithium-Ionen-Speicherplatz hinzufügen, um die reversible Kapazität zu verbessern, die Kathodenleistung zu verbessern. Wu Yu gleich dem gewöhnlichen natürlichen Graphit unter 500 ℃ in Luftoxidationsmodifikation zu behandeln. Die Stabilität der modifizierten Graphitstruktur wurde verbessert und die Anzahl der Nanometerporen und -kanäle wurde erhöht. Zusätzlich ist die während der Oxidation gebildete Oxidschicht eng an Graphit gebunden, um einen dichten Passivierungsfilm zu bilden, der die Solvatisierungsreaktion von Elektrolyt zu Graphit verhindert und die reversible Kapazität von Graphit verbessert. Flüssigphasenoxidationsverfahren besteht darin, Cer-Sulfat, Schwefelsäure, Salpetersäure, Wasserstoffperoxid und andere starke Oxidationsmittellösungen durch die Flüssig-Festphasen-Reaktion zu verwenden, um dies zu erreichen. Die Oberflächenoxidation von natürlichem Graphit mit einer gesättigten Lösung von Schwefelsäure und Ammoniumpersulfat wurde durchgeführt, und die reversible Kapazität von Graphit wurde auf 349 mAg-1 erhöht, und die Coulomb-Effizienz wurde zum ersten Mal verbessert.

2. Oberflächenbeschichtung

Die Oberflächenmodifizierung von Graphitanodenmaterialien umfasst hauptsächlich Kohlenstoffummantelung, Metall oder Nichtmetall sowie deren Oxid- und Polymerummantelung. Die reversible spezifische Kapazität, die anfängliche Coulomb-Effizienz, die Zyklenleistung und die Lade- / Entladeleistung der Elektrode können durch Oberflächenbeschichtung verbessert werden. Der Ausgangspunkt für die Modifizierung der Oberflächenbeschichtung von Graphitmaterialien ist wie folgt:

Durch Oberflächenbeschichtung wird die spezifische Oberfläche von Graphit verringert und der vom SEI-Film verbrauchte Lithium wird verringert, um die erste Coulomb-Effizienz des Materials zu verbessern.

Durch die Oberflächenbeschichtung werden die aktiven Punkte auf der Graphitoberfläche verringert, die Oberflächeneigenschaften werden gleichmäßig, die gleichzeitige Einbettung des Lösungsmittels wird vermieden und der irreversible Verlust wird verringert.

3. Amorphe Kohlenstoffummantelung

Um eine Schicht aus amorphem Kohlenstoffgraphit zu bedecken, wurde die Kern-Schale-Struktur von C / C-Verbundwerkstoffen, der amorphe Kohlenstoffkontakt mit Lösungsmittel, Lösungsmittel zur Vermeidung eines direkten Kontakts mit dem Graphit, Stop-by-Lösungsmittelmoleküle in das Graphitschicht-Stripping-Phänomen eingebettet, die sich ausdehnen Im Rahmen der Wahl des Elektrolyten wird das Königreich der Gleichheit natürlichen Flockengraphit zu kugelförmigem Graphit verarbeiten, wobei in seiner Oberfläche eine Schicht aus nanometergraphitisierten Kohlenstoffmaterialien mit einer Kern-Schale-Strukturmodifikation von kugelförmigem Graphit beschichtet und die Modifikation der kugelförmigen Graphit-Klopfdichte signifikant verbessert wird und die reversible Kapazität von bis zu 365 mah g - 1 gleichzeitig. Zum ersten Mal wurden auch die Coulomb-Effizienz und die Zyklenstabilität signifikant verbessert.

Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität, hoher Spannung, hoher Zyklusstabilität, hoher Energiedichte, ohne Umweltverschmutzung und anderen hervorragenden Eigenschaften der Beliebtheit, die im 21. Jahrhundert als grüne Energie und dominierende Kraft bekannt sind, bieten eine breite Perspektive für zivile und Verteidigungsanwendungen Die Erweiterung seines Anwendungsbereichs, der nicht nur in großem Umfang und erfolgreich auf alle Arten von tragbaren elektronischen Produkten angewendet wurde, hat begonnen, sich in Richtung Leistungsbatterie zu entwickeln. Gegenwärtig sind Lithium-Ionen-Batterien und ihre Schlüsselmaterialien in vielen Ländern zu einem Schwerpunkt von Wissenschaft, Technologie und Industrie geworden. Bisher wurden Lithium-Ionen-Batterien mit den ausgereiftesten Anodenmaterialien und den am häufigsten verwendeten Kohlenstoffmaterialien kommerzialisiert, von denen Graphit immer noch das wichtigste ist. Natürlicher Graphit hat die Vorteile niedriger Kosten, hoher Kristallisationsgrad, ausgereifter Reinigung, Zerkleinerungs- und Sortiertechnologie, niedriger Lade- und Entladespannungsplattform und hoher theoretischer Kapazität. Die strukturellen Defekte von natürlichem Graphit führen jedoch erstmals zu einem geringen Wirkungsgrad und einer schlechten Zirkulation. Daher ist es unerlässlich, Methoden zur Modifizierung von natürlichem Graphit zu entwickeln.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.