Anwendung von Pech in Anodenmaterialien

2025-03-26

Graphit, der als kommerzielles Anodenmaterial verwendet wird, kann zunehmend die wachsende Nachfrage nach hochkapazitiven Anodenmaterialien aufgrund seiner begrenzten theoretischen Kapazität nicht mehr erfüllen. Wenn Pech als Kohlenstoffvorläufer für Anoden von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, kann es nicht nur die hochgradige Ausnutzung von Pech realisieren, sondern auch einige neue Methoden und Erkundungen zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung von Anodenmaterialien bieten.

Li P et al. verwendeten Nano-Magnesiumoxidpartikel als Template und Erdölenpech als Kohlenstoffquelle. Nach der ultraschallgestützten Dispersion in der Flüssigphase wurden sie bei einer hohen Temperatur von 800 °C für 1 Stunde unter Stickstoffschutz behandelt, und das Template wurde durch Beizen entfernt, um ultra-dünne hohle Strukturen mit einzigartiger Hohlstruktur herzustellen. Poröse Kohlenstoffhülle (PACS). Aufgrund der ultradünnen Lamellen und der hierarchisch porösen Struktur bietet PACS mehr aktive Stellen für den Ionenverkehr, mit 334 mAh g-1 nach 1.000 Zyklen bei einer Stromdichte von 1 A g-1. reversible Kapazität und 90% Kapazitätsretention.

Während der Herstellung wird die Vernetzung durch die Einführung von Sauerstoff in die Luft gefördert, wodurch das Zusammenfließen des niedrigschmelzenden Pechs in der Emulsion vermieden wird und keine Nachbehandlung erforderlich ist, um seine sphärische Morphologie zu stabilisieren. Bei der Verwendung als Negativmaterial für Lithium-Ionen-Batterien betragen die Grammkapazitäten von PCB 373,6 mAhg-1 und 125,8 mAhg-1 bei Stromdichten von 0,05 Ag-1 bzw. 5 Ag-1. Die Kapazitäten betragen 316,1 mAhcm-3 bzw. 106,4 mAhcm-3.

Das auf Pech basierende Kohlenstoffmaterial kann als negative Elektrode verwendet werden, um den Wert von Pech zu erhöhen, aber aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Pech ist die Kapazität des Pechmaterials selbst nicht hoch. Wenn es direkt als Negativmaterial verwendet wird, ist es notwendig, das Mikrostukturdesign durchzuführen, was eine Massenproduktion erschwert und die Kosten zu hoch sind. Daher wird Pech in der Regel als modifiziertes Material im Produktionsprozess verwendet, um eine hochgradige Ausnutzung von Pech zu erreichen.

Die Oberflächenbeschichtung ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Modifizierung von Anodenmaterialien in der Industrie derzeit. Dieses Verfahren bildet durch Festphase-, Flüssigphase- oder Gasphasen-Kohlenstoffierung eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff auf der Oberfläche der Materialien, um eine „Kern-Schale-Struktur“ aufzubauen. Die „Schalenstruktur“ der Oberfläche kann die Volumenausdehnung oder strukturelle Schäden des aktiven Zentrums des negativen Elektrodenmaterials effektiv einschränken und abpuffern, während sie die Verträglichkeit mit dem Elektrolyten erhöht und die Stabilität des Elektrodenmaterials aufrechterhält.

Graphit als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien hat noch viele Probleme, wie zum Beispiel im Prozess des Ladens und Entladens, bei dem das Einbetten und Abziehen von Lithiumionen zu lamellenartigem Abblättern und Zerstörung der Struktur von Graphit führt. Die Verträglichkeit von Graphit und Elektrolyt ist schlecht, und der chemische Diffusionskoeffizient von Lithiumionen in Graphit ist gering. Um diese Probleme zu lösen, muss Graphit modifiziert werden. Als eine gängige Kohlenstoffquelle für modifiziertes Graphit hat Asphalt das Interesse von Forschern auf sich gezogen.

Das pitchbasierte Anodenmaterial weist einige Innovationen in seiner Materialstruktur und seiner Herstellungsmethode auf, und die Kapazität sowie die Leistungsfähigkeit haben im Vergleich zu graphitbasierten Anodenmaterialien große Fortschritte gemacht. Jedoch ist das Phänomen der Lade-Entlade-Spannungshysterese ernst, die Energiedichte ist verringert und die Massenproduktion ist schwierig; das Modifikationsprinzip der Asphaltbeschichtung ist jedoch noch unklar, und die weitere Verbesserung der Materialeigenschaften sowie die Aufrechterhaltung der Konsistenz der Eigenschaften der modifizierten Materialien sind ebenfalls unklar. Es gibt noch größeren Spielraum für technische Verbesserungen.

Obwohl Asphalt in der Industrie weit verbreitet ist, sind die Zusammensetzung und Struktur von Asphalt aufgrund der komplexen Quellen von Asphaltrohmaterialien und der Unterschiede in der Verarbeitungstechnologie komplex. Während des Produktionsprozesses führt die lange Siebzeit von Rohasphalt sowie die Instabilität des Siebprozesses zu erhöhten Kosten und geringer Konsistenz der Fertigprodukte. Daher liegt die Entwicklung von speziellem Asphalt für Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterialien und die schnelle Untersuchung von Asphalt auch im Fokus der nachfolgenden modifizierten Anodenmaterialien aus Asphalt.