Schnelllade-Graphitanodenmaterial

2025-03-26

Als erstes kommerzialisiertes negative Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien hat Graphit die Vorteile einer hohen Kapazität, stabilen Struktur und guter elektrischer Leitfähigkeit. Noch wichtiger ist, dass es eine breite Verfügbarkeit und niedrige Kosten hat. Es ist auch heute das am weitesten verbreitete Anodenmaterial und wird in naher Zukunft schwer vollständig ersetzt werden können. Da Lithium-Ionen-Batterien weit verbreitet in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, hat die Fähigkeit zum Schnellladen die wichtigste Leistungskennzahl für Graphit geworden. Aufgrund der langsamen Lithium-Interkalationskinetik und des extrem niedrigen Redox-Potentials können die Kapazität, Stabilität und Sicherheit von Graphit unter Hochgeschwindigkeitsladung und -entladung nicht den Anforderungen von Leistungsbatterien entsprechen. Daher war die Modifikation von Graphit zur Verbesserung seiner Schnellladeperformance in den letzten Jahren ein Forschungsschwerpunkt von Wissenschaftlern.

Für die Probleme von Graphit beim Schnellladen sind die aktuellen Lösungen wie folgt:

(1) Konstruktion einer stabilen künstlichen SEI-Membran. Durch den Aufbau eines organischen/anorganischen künstlichen SEI-Films mit stabiler Struktur, hohem Redoxpotential und guter Ionenleitfähigkeit auf der Graphitoberfläche kann nicht nur die Anisotropie des Lithiumionentransports im Graphit reduziert werden, sondern auch die Migrationsgeschwindigkeit der Lithiumionen verbessert werden. Eine kleine Polarisation vermeidet die Ablagerung von Lithiummetall auf der Graphitoberfläche während des Schnellladens und -entladens. Darüber hinaus kann der künstliche SEI-Film auch als „differenzierendes Sieb“ für Lithiumionen und Lösungsmoleküle dienen und Schäden an der Graphitstruktur durch die Ko-Innenschichtung von Lösungsmolekülen vermeiden.

(2) Morphologie- und Strukturdesign. Durch die Modifizierung der Morphologie und Struktur von Graphit (zum Beispiel durch Design von Porenstrukturen) kann die Anzahl der aktiven Stellen für die Kanteninnenschichtung von Graphit erhöht und die Beweglichkeit der Lithiumionen im Graphit verbessert werden.

(3) Elektrolytoptimierung. Durch die Optimierung der Verwendung von Lösungsmitteln, die Regulierung der Art und Konzentration von Lithiumsalzen und die Zugabe organischer/anorganischer Additive kann die Solvationsstruktur der Lithiumionen im Elektrolyten effektiv angepasst, die Desolvationsbarriere der Lithiumionen verringert und ein stabiler SEI-Film konstruiert werden. Zudem kann der Einfluss der Ko-Innenschichtung von Lösungsmolekülen auf die Stabilität des Graphits gemindert werden.

(4) Optimierung der Ladestrategie. Durch die Optimierung des Ladeprotokolls, die Regulierung des Ladestroms, der Spannung und der Entspannungszeit kann die Laderatenbegrenzung erreicht werden, ohne dass Lithiumdendriten gebildet werden, und das Gleichgewicht zwischen Zyklusleben und Laderate kann erzielt werden. Diese Methoden können die Kapazität und Stabilität von Graphit unter Schnellladebedingungen effektiv verbessern und eine Referenz für die Realisierung von „Tankstellen“-Laden von Elektrofahrzeugen bieten.

Allerdings hat das Schnelllade-Design von Graphit weiterhin die folgenden Herausforderungen:

(1) Die chemische Stabilität von Graphit ist extrem stark, und die Benetzbarkeit der Oberfläche ist sehr gering. Daher ist es schwierig, künstliche SEI-Schutzfilme durch einige einfache physikalische und chemische Methoden zu konstruieren. Die meisten aktuellen Forschungen erfordern den Einsatz von ALD (Atomic Layer Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) und anderen Methoden. Diese Methoden zur Konstruktion künstlicher SEI-Schutzfilme haben hohe Kosten, einen umständlichen Prozess, eine niedrige Effizienz und verfügen nicht über die Machbarkeit einer großflächigen Industrialisierung. Daher ist es der Fokus zukünftiger Forschungen, wie man bei Graphit selbst ansetzen und dessen intrinsische physikalische und chemische Eigenschaften ändern kann, um die Konstruktion einer künstlichen SEI-Schutzfolie auf einfache und bequeme Weise zu realisieren.

(2) Durch das Design von Poren und die Reduzierung der Morphologie und Struktur von Graphitpartikeln kann zwar die Anzahl der Lithiuminnenschichtungsstellen im Graphit erhöht werden, jedoch geht die Erhöhung aktiver Stellen oft mit der Intensivierung von Nebenreaktionen und einer Verringerung der ersten Coulomb-Effizienz einher. Angesichts der Tatsache, dass der Preis von Lithiumsalzen ein Allzeithoch erreicht hat, kann das Schnelllade-Design von Graphit nicht auf Kosten einer Erhöhung der irreversiblen Kapazität beim ersten Mal erfolgen. Daher muss die Regelungsstrategie der Morphologie und Struktur in Verbindung mit anderen Strategien zur Oberflächenmodifikation verwendet werden, um zusätzlichen Lithiumverbrauch zu vermeiden.

(3) Durch die Verwendung funktioneller Additive oder die Entwicklung neuer Lithiumsalze und Lösungsmittel ist es entscheidend, neuartige Elektrolyte mit hoher ionischer Leitfähigkeit, hohen Transportzahlen und breiten Temperaturbereichen zu erhalten, da Elektrolyte den Ionentransport und die Schnittstellen für spezifische Batterietechnologien bestimmen. Allerdings müssen die Entwicklungskriterien für Elektrolyte den Kostenfaktor und den Grad des Umweltschutzes berücksichtigen, ansonsten wird es an praktischer Bedeutung fehlen.

(4) Die meisten auf Graphit basierenden Schnelllade-Designs werden weiterhin auf der Grundlage von Knopfzellen bewertet. Als Technologie, die dringend eine großflächige industrielle Anwendung benötigt, sollten Forscher sie in Taschenzellen oder zylindrischen Zellen bewerten, um ihr kommerzielles Anwendungspotenzial zu überprüfen.