مواد آند گرافیتی با بارگیری سریع

2025-03-26

به عنوان اولین ماده الکترود منفی تجاری‌سازی شده برای باتری‌های لیتیوم-یون، گرافیت دارای مزایای ظرفیت بالا، ساختار پایدار و هدایت الکتریکی خوب است. مهم‌تر از همه، این ماده دارای منابع گسترده و هزینه پایین است. در حال حاضر هنوز هم پرکاربردترین ماده آند است و در کوتاه‌مدت به راحتی قابل جایگزینی نیست. با استفاده گسترده از باتری‌های لیتیوم-یون در وسایل نقلیه الکتریکی، قابلیت شارژ سریع به مهم‌ترین معیار عملکرد گرافیت تبدیل شده است. به دلیل کندی کینتیک بین‌شرکت لیتیوم و پتانسیل اکسیداسیون بسیار پایین، ظرفیت، ثبات و ایمنی گرافیت تحت شارژ و دشارژ با نرخ بالا نمی‌تواند نیازهای باتری‌های قدرت را برآورده کند. بنابراین، اصلاح گرافیت برای بهبود عملکرد شارژ سریع آن در سال‌های اخیر تمرکز تحقیقاتی دانشمندان بوده است.

برای مشکلات گرافیت در شارژ سریع، راه‌حل‌های فعلی به شرح زیر است.

(1) ساخت یک غشای SEI مصنوعی پایدار. با ساخت یک فیلم SEI مصنوعی آلی/غیرآلی با ساختار پایدار، پتانسیل ردوکس بالا و هدایت یونی خوب بر روی سطح گرافیت، نه تنها می‌تواند آنیزوتروپی حمل و نقل یون‌های لیتیم در گرافیت را کاهش دهد، بلکه می‌تواند نرخ مهاجرت یون‌های لیتیم را نیز بهبود بخشد. قطبش کم برای جلوگیری از رسوب فلز لیتیم بر روی سطح گرافیت در هنگام شارژ و دشارژ با نرخ بالا. علاوه بر این، فیلم SEI مصنوعی می‌تواند به عنوان یک "الک تفکیکی" برای یون‌های لیتیم و مولکول‌های حلال عمل کند و از آسیب به ساختار گرافیت ناشی از هم‌نفوذی مولکول‌های حلال جلوگیری کند.

(2) مورفولوژی و طراحی ساختاری. با تغییر مورفولوژی و ساختار گرافیت (مانند طراحی ساختار حفره)، تعداد سایت‌های فعال برای بین‌لایه‌ای شدن لبه‌ای گرافیت می‌تواند افزایش یابد و تحرک یون‌های لیتیم در گرافیت بهبود یابد.

(3) بهینه‌سازی الکترولیت. با بهینه‌سازی استفاده از حلال‌ها، تنظیم نوع و غلظت نمک‌های لیتیم و افزودن افزودنی‌های آلی/غیرآلی، ساختار حل‌شدگی یون‌های لیتیم در الکترولیت می‌تواند به‌طور مؤثری تنظیم شود، مانع حل‌زدایی یون‌های لیتیم کاهش یابد و یک فیلم SEI پایدار ساخته شود. همچنین تأثیر هم‌درج حلال مولکولی بر ثبات گرافیت کاهش می‌یابد.

(4) بهینه‌سازی استراتژی شارژ. با بهینه‌سازی پروتکل شارژ، تنظیم جریان شارژ، ولتاژ و زمان استراحت، می‌توان به محدودیت نرخ شارژ رسید بدون اینکه دندریت‌های لیتیم شکل بگیرند و تعادل بین عمر چرخه و نرخ شارژ حفظ شود. این روش‌ها می‌توانند به‌طور مؤثری ظرفیت و ثبات گرافیت را در شرایط شارژ سریع بهبود بخشند و مرجعی برای تحقق شارژ "سوخت‌گیری" خودروهای برقی فراهم کنند.

با این حال، طراحی شارژ سریع گرافیت همچنان با چالش‌های زیر مواجه است:

(1) ثبات شیمیایی گرافیت بسیار بالاست و نفوذپذیری سطح آن بسیار ضعیف است. بنابراین، ساخت فیلم‌های حفاظتی SEI مصنوعی با استفاده از برخی روش‌های فیزیکی و شیمیایی ساده دشوار است. بیشتر تحقیقات فعلی نیاز به استفاده از رسوب‌گذاری لایه اتمی ALD، رسوب‌گذاری بخار CVD و سایر روش‌ها دارند. این روش‌ها برای ساخت فیلم‌های حفاظتی SEI مصنوعی هزینه بالایی دارند، فرآیند پیچیده‌ای دارند، کارایی پایین‌تری دارند و قابلیت صنعتی شدن در مقیاس بزرگ را ندارند. بنابراین، چگونگی شروع از خود گرافیت و تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی ذاتی آن به‌گونه‌ای که ساخت فیلم حفاظتی SEI مصنوعی به‌طور ساده و راحت امکان‌پذیر باشد، کانون تحقیقات آینده است.

(2) با طراحی حفره‌ها و کاهش مورفولوژی و ساختار ذرات گرافیت، با اینکه می‌توان سایت‌های بین‌لایه‌ای شدن لیتیم را افزایش داد، اما افزایش سایت‌های فعال معمولاً با تشدید واکنش‌های جانبی و کاهش کارایی کولومی اول همراه است. با توجه به اینکه قیمت نمک‌های لیتیم به بالاترین حد خود رسیده است، طراحی شارژ سریع گرافیت نمی‌تواند به قیمت افزایش ظرفیت غیرقابل برگشت برای اولین بار صورت گیرد. بنابراین، استراتژی تنظیم مورفولوژی و ساختار باید به همراه سایر استراتژی‌های اصلاح سطح استفاده شود تا از مصرف اضافی لیتیم جلوگیری کند.

(3) با استفاده از افزودنی‌های عملکردی یا توسعه نمک‌ها و حلال‌های جدید لیتیم، به‌دست آوردن الکترولیت‌های نوین با رسانایی یونی بالا، شماره‌های انتقال بالا و دامنه‌های دمایی وسیع بسیار حیاتی است، زیرا الکترولیت‌ها حمل و نقل یون و رابط‌ها را برای شیمی‌های خاص باتری تعیین می‌کنند. با این حال، خطوط راهنمای توسعه الکترولیت‌ها باید به عامل هزینه و درجه حفاظت از محیط زیست توجه داشته باشند، در غیر این صورت فاقد معنی عملی خواهند بود.

(4) بیشتر طراحی‌های شارژ سریع مبتنی بر گرافیت هنوز بر اساس باتری‌های دکمه‌ای ارزیابی می‌شوند. به عنوان یک فناوری که به شدت به کاربرد صنعتی در مقیاس بزرگ نیاز دارد، محققان باید آن را در سلول‌های کیسه‌ای یا سلول‌های استوانه‌ای ارزیابی کنند تا پتانسیل کاربرد تجاری آن را تأیید کنند.