مواد الأنود الجرافيت سريعة الشحن

2025-03-26

كونه أول مادة الكاثود التجارية لبطاريات أيونات الليثيوم، يتمتع الجرافيت بمزايا السعة العالية، الهيكل المستقر، والموصلية الكهربائية الجيدة. والأهم من ذلك، لديه نطاق واسع من المصادر وتكلفة منخفضة. لا يزال الجرافيت هو المادة الرئيسية للأنود في الوقت الحالي، ويصعب استبداله بشكل كامل في المدى القصير. مع الاستخدام الواسع لبطاريات أيونات الليثيوم في المركبات الكهربائية، أصبحت قدرة الشحن السريع المؤشر الأساسي لأداء الجرافيت. نتيجةً للبطء في حركية إدخال أيونات الليثيوم والإمكانات الكهروكيميائية المنخفضة للغاية، فإن السعة والاستقرار والسلامة للجرافيت تحت الشحن والتفريغ بمعدل عالٍ لا يمكن أن تلبي احتياجات البطاريات الكهربائية. لذلك، فإن تعديل الجرافيت لتحسين أدائه في الشحن السريع كان محور اهتمام البحوث من قبل العلماء في السنوات الأخيرة.

بالنسبة لمشاكل الجرافيت في الشحن السريع، فإن الحلول الحالية هي كما يلي.

(1) إنشاء غشاء SEI اصطناعي مستقر. من خلال بناء فيلم SEI اصطناعي عضوي/غير عضوي بهيكل مستقر، وإمكانات أكسدة مختزلة عالية وموصلية أيونية جيدة على سطح الجرافيت، يمكن أن يقلل ذلك من عدم التماثل في نقل أيونات الليثيوم في الجرافيت، وأيضًا تحسين معدل هجرة أيونات الليثيوم. كما يمكن تقليل الاستقطاب الصغير لتجنب ترسيب معدن الليثيوم على سطح الجرافيت أثناء الشحن والتفريغ بمعدل عالٍ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعمل فيلم SEI الاصطناعي كـ "منخل مميز" لأيونات الليثيوم وجزيئات المذيب، مما يهرب من الضرر الذي يلحق بهيكل الجرافيت الناتج عن التداخل المشترك لجزيئات المذيب.

(2) تصميم الشكل والهيكل. من خلال تعديل الشكل والبنية للجرافيت (مثل تصميم هيكل الثقوب)، يمكن زيادة عدد المواقع النشطة للتداخل على حواف الجرافيت، وتحسين حركة أيونات الليثيوم في الجرافيت.

(3) تحسين المحلول الكهربائي. من خلال تحسين استخدام المذيبات، وضبط نوع وتركيز أملاح الليثيوم، وإضافة مواد مضافة عضوية/غير عضوية، يمكن تعديل هيكل التذويب لأيونات الليثيوم في المحلول الكهربائي بفعالية، وتقليل حاجز التذويب لأيونات الليثيوم، وإنشاء فيلم SEI مستقر. بالإضافة إلى تخفيف تأثير التداخل المشترك لجزيئات المذيب على استقرار الجرافيت.

(4) تحسين استراتيجية الشحن. من خلال تحسين بروتوكول الشحن، وضبط تيار الشحن، الجهد، ووقت الاسترخاء، يمكن الوصول إلى حد معدل الشحن دون تشكيل زهور الليثيوم، وتحقيق التوازن بين عمر الدورة ومعدل الشحن. يمكن أن تحسن هذه الطرق بشكل فعال من السعة والاستقرار للجرافيت تحت ظروف الشحن السريع، وتوفر مرجعًا لتحقيق شحن "التزود بالوقود" للمركبات الكهربائية.

ومع ذلك، لا تزال تصميمات الشحن السريع للجرافيت تواجه التحديات التالية:

(1) الاستقرار الكيميائي للجرافيت قوي للغاية، وقابلية السطح للرطوبة ضعيفة جدًا. لذلك، من الصعب بناء أفلام حماية SEI الاصطناعية بواسطة بعض الطرق الفيزيائية والكيميائية البسيطة. تحتاج معظم الأبحاث الحالية إلى استخدام ترسيب الطبقات الذرية ALD، وترسيب البخار CVD وطرق أخرى. هذه الطرق لبناء أفلام حماية SEI الاصطناعية ذات تكلفة عالية، وعملية مرهقة، وكفاءة منخفضة، ولا تتمتع بإمكانية التصنيع الواسع النطاق. لذلك، فإن كيفية البدء بالجرافيت نفسه وتغيير خصائصه الفيزيائية والكيميائية الجوهرية، لتحقيق بناء فيلم حماية SEI الاصطناعي بطريقة بسيطة ومريحة، هو محور البحث المستقبلي.

(2) عن طريق تصميم المسام وتقليل شكل وهياكل جزيئات الجرافيت، على الرغم من إمكانية زيادة مواقع إدخال الليثيوم في الجرافيت، فإن زيادة مواقع النشاط غالبًا ما تكون مصحوبة بتعزيز التفاعلات الجانبية وانخفاض الكفاءة الكولومبية الأولى. نظرًا لأن سعر أملاح الليثيوم قد وصل إلى أعلى مستوى على الإطلاق، لا يمكن أن يأتي تصميم الشحن السريع للجرافيت على حساب زيادة السعة غير القابلة للعكس في المرة الأولى. لذلك، يجب استخدام استراتيجية تنظيم الشكل والبنية بالتوازي مع استراتيجيات تعديل السطح الأخرى لتجنب استهلاك إضافي لليثيوم.

(3) من خلال استخدام إضافات وظيفية أو تطوير أملاح ومواد مذابة جديدة لليثيوم، من الضروري الحصول على إلكتروليتات جديدة ذات موصلية أيونية عالية، وأرقام نقل مرتفعة، ونطاقات درجة حرارة واسعة، حيث تحدد الإلكتروليتات نقل الأيونات والواجهات لعلوم البطاريات المحددة. ومع ذلك، يجب أن تأخذ إرشادات تطوير الإلكتروليتات في الاعتبار عامل التكلفة ودرجة حماية البيئة، وإلا ستفتقر إلى الأهمية العملية.

(4) لا تزال معظم تصميمات الشحن السريع المعتمدة على الجرافيت تُقيم بناءً على بطاريات الزر. بصفتها تقنية تحتاج بشدة إلى تطبيق صناعي واسع النطاق، يجب على الباحثين تقييمها في خلايا الكيس أو الخلايا الأسطوانية للتحقق من إمكانياتها للتطبيق التجاري.