Material Anoda Grafit Pengisian Cepat

2025-03-26

Sebagai bahan elektroda negatif yang pertama kali dijadikan komersial untuk baterai lithium-ion, grafit memiliki keuntungan kapasitas tinggi, struktur stabil, dan konduktivitas listrik yang baik. Yang lebih penting, ia memiliki berbagai sumber dan biaya rendah. Ia masih merupakan bahan anod yang paling mainstream saat ini, dan sulit untuk sepenuhnya digantikan dalam jangka pendek. Seiring dengan semakin luasnya penggunaan baterai lithium-ion dalam kendaraan listrik, kemampuan pengisian cepat telah menjadi indikator kinerja yang paling penting dari grafit. Terhadap kinetika interkalasi lithium yang lambat dan potensi redoks yang sangat rendah, kapasitas, stabilitas, dan keamanan grafit dalam pengisian dan pengosongan dengan laju tinggi tidak dapat memenuhi kebutuhan baterai daya. Oleh karena itu, modifikasi grafit untuk meningkatkan kinerja pengisian cepatnya telah menjadi fokus penelitian oleh para cendekiawan dalam beberapa tahun terakhir.

Untuk masalah grafit dalam pengisian cepat, solusi saat ini adalah sebagai berikut.

(1) Membangun membran SEI buatan yang stabil. Dengan membangun film SEI buatan organik/inorganik dengan struktur stabil, potensi redoks tinggi, dan konduktivitas ion yang baik di permukaan grafit, hal ini tidak hanya dapat mengurangi anisotropi transportasi ion lithium dalam grafit, tetapi juga meningkatkan laju migrasi ion lithium. Meminimalkan polarisasi kecil untuk menghindari pengendapan logam lithium di permukaan grafit selama pengisian dan pengosongan dengan laju tinggi. Selain itu, film SEI buatan juga dapat berfungsi sebagai "saringan diferensiasi" untuk ion lithium dan molekul pelarut, menghindari kerusakan struktur grafit yang disebabkan oleh ko-interkalasi molekul pelarut.

(2) Desain morfologi dan struktur. Dengan memodifikasi morfologi dan struktur grafit (seperti desain struktur lubang), jumlah situs aktif untuk interkalasi tepi grafit dapat ditingkatkan, dan mobilitas ion lithium dalam grafit dapat ditingkatkan.

(3) Optimasi elektrolit. Dengan mengoptimalkan penggunaan pelarut, mengatur jenis dan konsentrasi garam lithium, dan menambahkan aditif organik/inorganik, struktur solvasi ion lithium dalam elektrolit dapat disesuaikan secara efektif, penghalang desolvasi ion lithium dapat dikurangi, dan film SEI yang stabil dapat dibangun. Selain itu, mengurangi dampak ko-interkalasi molekul pelarut terhadap stabilitas grafit.

(4) Mengoptimalkan strategi pengisian. Dengan mengoptimalkan protokol pengisian, mengatur arus pengisian, tegangan, dan waktu relaksasi, batas laju pengisian dapat dicapai tanpa pembentukan dendrit lithium, dan keseimbangan antara umur siklus dan laju pengisian dapat dicapai. Metode ini dapat secara efektif meningkatkan kapasitas dan stabilitas grafit dalam kondisi pengisian cepat, dan memberikan referensi untuk realisasi pengisian "pengisian bahan bakar" kendaraan listrik.

Namun, desain pengisian cepat grafit masih memiliki tantangan sebagai berikut:

(1) Stabilitas kimia grafit sangat kuat, dan daya basah permukaannya sangat buruk. Oleh karena itu, sulit untuk membangun film pelindung SEI buatan dengan beberapa metode fisik dan kimia sederhana. Sebagian besar penelitian saat ini perlu menggunakan deposisi lapisan atom (ALD), deposisi uap (CVD), dan metode lainnya. Metode ini untuk membangun film pelindung SEI buatan memiliki biaya tinggi, proses yang rumit, efisiensi rendah, dan tidak memiliki kelayakan untuk industrialisasi skala besar. Oleh karena itu, bagaimana memulai dari grafit itu sendiri dan mengubah sifat fisik dan kimia intrinsiknya, sehingga dapat mewujudkan pembangunan film pelindung SEI buatan dengan cara yang sederhana dan nyaman, adalah fokus penelitian di masa depan.

(2) Dengan merancang pori-pori dan mengurangi morfologi serta struktur partikel grafit, meskipun situs interkalasi lithium pada grafit dapat ditingkatkan, peningkatan situs aktif seringkali disertai dengan penguatan reaksi sampingan dan penurunan efisiensi Coulombik pertama. Mengingat harga garam lithium telah mencapai titik tertinggi sepanjang masa, desain pengisian cepat grafit tidak dapat dilakukan dengan mengorbankan peningkatan kapasitas yang tidak dapat diubah untuk pertama kalinya. Oleh karena itu, strategi pengaturan morfologi dan struktur harus digunakan bersamaan dengan strategi modifikasi permukaan lainnya untuk menghindari konsumsi lithium tambahan.

(3) Dengan menggunakan aditif fungsional atau mengembangkan garam lithium dan pelarut baru, sangat penting untuk mendapatkan elektrolit baru dengan konduktivitas ion yang tinggi, angka transfer yang tinggi, dan rentang suhu yang luas, karena elektrolit menentukan transportasi ion dan antarmuka untuk kimia baterai tertentu. Namun, pedoman pengembangan elektrolit harus mempertimbangkan faktor biaya dan tingkat perlindungan lingkungan, jika tidak, akan kekurangan signifikansi praktis.

(4) Sebagian besar desain pengisian cepat berbasis grafit masih dievaluasi berdasarkan baterai tombol. Sebagai teknologi yang sangat membutuhkan aplikasi industri skala besar, peneliti harus mengevaluasinya dalam sel kantong atau sel silinder untuk memverifikasi potensi aplikasi komersialnya.