Matériau d'anode en graphite à recharge rapide

2025-03-26

En tant que premier matériau d'électrode négative commercialisé pour les batteries lithium-ion, le graphite présente les avantages d'une grande capacité, d'une structure stable et d'une bonne conductivité électrique. Plus important encore, il dispose d'une large gamme de sources et d'un faible coût. Il reste actuellement le matériau d'anode le plus courant et il est difficile d'être complètement remplacé à court terme. Alors que les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques, la capacité de charge rapide est devenue l'indicateur de performance le plus important du graphite. Soumis à la lente cinétique d'intercalation du lithium et à un potentiel redox extrêmement bas, la capacité, la stabilité et la sécurité du graphite lors de charges et de décharges à taux élevé ne peuvent pas répondre aux besoins des batteries de puissance. Par conséquent, la modification du graphite pour améliorer ses performances de charge rapide a été l'objet de recherches par des spécialistes ces dernières années.

Pour les problèmes du graphite lors de la charge rapide, les solutions actuelles sont les suivantes.

(1) Construction d'une membrane SEI artificielle stable. En construisant un film SEI artificiel organique/inorganique avec une structure stable, un potentiel redox élevé et une bonne conductivité ionique à la surface du graphite, cela peut non seulement réduire l'anisotropie du transport des ions lithium dans le graphite, mais également améliorer le taux de migration des ions lithium. Une petite polarisation pour éviter le dépôt de lithium métallique à la surface du graphite lors de chargements et déchargements à taux élevé. De plus, le film SEI artificiel peut également servir de « tamis différenciant » pour les ions lithium et les molécules de solvant, évitant ainsi les dommages à la structure du graphite causés par la co-intercalation des molécules de solvant.

(2) Conception de la morphologie et de la structure. En modifiant la morphologie et la structure du graphite (comme la conception de structures en trous), le nombre de sites actifs pour l'intercalation des bords du graphite peut être augmenté, et la mobilité des ions lithium dans le graphite peut être améliorée.

(3) Optimisation de l'électrolyte. En optimisant l'utilisation des solvants, en régulant le type et la concentration de sels de lithium, et en ajoutant des additifs organiques/inorganiques, la structure de solvatation des ions lithium dans l'électrolyte peut être efficacement ajustée, la barrière de désolvation des ions lithium peut être réduite, et un film SEI stable peut être construit. Ainsi que l'atténuation de l'effet de la co-intercalation des molécules de solvant sur la stabilité du graphite.

(4) Optimiser la stratégie de charge. En optimisant le protocole de charge, en régulant le courant de charge, la tension et le temps de relaxation, la limite de taux de charge peut être atteinte sans la formation de dendrites de lithium, et l'équilibre entre la durée de vie des cycles et le taux de charge peut être atteint. Ces méthodes peuvent améliorer efficacement la capacité et la stabilité du graphite dans des conditions de charge rapide, et fournir une référence pour la réalisation de la charge « plein de carburant » des véhicules électriques.

Cependant, la conception de la charge rapide du graphite présente encore les défis suivants :

(1) La stabilité chimique du graphite est extrêmement forte et l'humidité de la surface est très faible. Par conséquent, il est difficile de construire des films protecteurs SEI artificiels par quelques méthodes physiques et chimiques simples. La plupart des recherches actuelles nécessitent l'utilisation du dépôt de couches atomiques (ALD), du dépôt de vapeur chimique (CVD) et d'autres méthodes. Ces méthodes pour construire des films protecteurs SEI artificiels ont un coût élevé, un processus compliqué, une faible efficacité et n'ont pas de faisabilité pour une industrialisation à grande échelle. Par conséquent, comment partir du graphite lui-même et changer ses propriétés physiques et chimiques intrinsèques, afin de réaliser la construction de films protecteurs SEI artificiels de manière simple et pratique, est au centre des recherches futures.

(2) En concevant des pores et en réduisant la morphologie et la structure des particules de graphite, bien que les sites d'intercalation du lithium dans le graphite puissent être augmentés, l'augmentation des sites actifs s'accompagne souvent de l'intensification des réactions secondaires et de la diminution de l'efficacité coulombique initiale. Étant donné que le prix des sels de lithium a atteint un niveau record, la conception de la charge rapide du graphite ne peut pas se faire au prix d'une augmentation de la capacité irréversible lors de la première charge. Par conséquent, la stratégie de régulation de la morphologie et de la structure doit être utilisée en conjonction avec d'autres stratégies de modification de surface pour éviter une consommation supplémentaire de lithium.

(3) En utilisant des additifs fonctionnels ou en développant de nouveaux sels de lithium et solvants, il est crucial d'obtenir des électrolytes novateurs avec une haute conductivité ionique, un nombre de transfert élevé et une large gamme de températures, car les électrolytes déterminent le transport ionique et les interfaces pour des chimies de batteries spécifiques. Cependant, les lignes directrices pour le développement des électrolytes doivent prendre en compte le facteur coût et le degré de protection de l'environnement, sinon elles manqueront de signification pratique.

(4) La plupart des conceptions de charge rapide à base de graphite sont encore évaluées sur la base de batteries bouton. En tant que technologie qui nécessite de toute urgence une application industrielle à grande échelle, les chercheurs devraient l'évaluer dans des cellules pouch ou cylindriques pour vérifier son potentiel d'application commerciale.