Materiale anodico in grafite per rapida ricarica

2025-03-26

Essendo il primo materiale per elettrodi negativi commercializzati per batterie agli ioni di litio, il grafite ha i vantaggi di alta capacità, struttura stabile e buona conducibilità elettrica. Più importante, ha una vasta gamma di fonti e un basso costo. Attualmente rimane il materiale anodico più mainstream ed è difficile essere completamente sostituito a breve termine. Con l'ampio utilizzo di batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici, la capacità di ricarica rapida è diventato l'indicatore di prestazione più importante del grafite. Soggetto alla lenta cinetica di intercalazione del litio e a un potenziale redox estremamente basso, la capacità, la stabilità e la sicurezza del grafite sotto carica e scarica ad alta velocità non possono soddisfare le esigenze delle batterie di potenza. Pertanto, la modifica del grafite per migliorare le sue prestazioni di ricarica rapida è stata al centro della ricerca da parte di studiosi negli ultimi anni.

Per i problemi del grafite nella ricarica rapida, le attuali soluzioni sono le seguenti.

(1) Costruzione di una membrana SEI artificiale stabile. Costruendo un film SEI artificiale organico/inorganico con una struttura stabile, un alto potenziale redox e una buona conducibilità ionica sulla superficie del grafite, è possibile non solo ridurre l'anisotropia del trasporto di ioni di litio nel grafite, ma anche migliorare la velocità di migrazione degli ioni di litio. Piccola polarizzazione per evitare la deposizione di metallo di litio sulla superficie del grafite durante la carica e la scarica ad alta velocità. Inoltre, il film SEI artificiale può anche fungere da “setaccio differenziale” per gli ioni di litio e le molecole del solvente, evitando il danneggiamento della struttura del grafite causato dalla co-intercalazione delle molecole del solvente.

(2) Progettazione della morfologia e della struttura. Modificando la morfologia e la struttura del grafite (ad esempio, progettazione della struttura a pori), il numero di siti attivi per l'intercalazione ai bordi del grafite può essere aumentato e la mobilità degli ioni di litio nel grafite può essere migliorata.

(3) Ottimizzazione dell'elettrolita. Ottimizzando l'uso dei solventi, regolando il tipo e la concentrazione dei sali di litio e aggiungendo additivi organici/inorganici, la struttura di solvataggio degli ioni di litio nell'elettrolita può essere efficacemente regolata, la barriera di desolvataggio degli ioni di litio può essere ridotta e un film SEI stabile può essere costruito. Inoltre, si può attenuare l'effetto della co-intercalazione delle molecole del solvente sulla stabilità del grafite.

(4) Ottimizzare la strategia di ricarica. Ottimizzando il protocollo di ricarica, regolando la corrente di ricarica, la tensione e il tempo di rilassamento, è possibile raggiungere il limite della velocità di ricarica senza la formazione di dendriti di litio e ottenere un equilibrio tra la vita ciclica e la velocità di ricarica. Questi metodi possono migliorare efficacemente la capacità e la stabilità del grafite in condizioni di ricarica rapida e fornire un riferimento per la realizzazione della ricarica "di rifornimento" dei veicoli elettrici.

Tuttavia, il design di ricarica rapida del grafite presenta ancora le seguenti sfide:

(1) La stabilità chimica del grafite è estremamente forte e la bagnabilità della superficie è molto scarsa. Pertanto, è difficile costruire film protettivi SEI artificiali attraverso alcuni semplici metodi fisici e chimici. La maggior parte delle attuali ricerche deve utilizzare la deposizione di strati atomici ALD, la deposizione di vapore CVD e altri metodi. Questi metodi per costruire film protettivi SEI artificiali hanno un alto costo, un processo macchinoso, bassa efficienza e non hanno la fattibilità della industrializzazione su larga scala. Pertanto, come partire dal grafite stesso e cambiare le sue proprietà fisiche e chimiche intrinseche, per realizzare la costruzione di un film protettivo SEI artificiale in modo semplice e conveniente, è il fulcro della ricerca futura.

(2) Progettando pori e riducendo la morfologia e la struttura delle particelle di grafite, sebbene possano essere aumentati i siti di intercalazione del litio nel grafite, l'aumento dei siti attivi è spesso accompagnato dall'intensificazione delle reazioni collaterali e dalla diminuzione della prima efficienza coulombica. Considerando che il prezzo dei sali di litio ha raggiunto un massimo storico, il design di ricarica rapida del grafite non può avvenire a scapito di un aumento della capacità irreversibile al primo uso. Pertanto, la strategia di regolazione della morfologia e della struttura deve essere utilizzata in combinazione con altre strategie di modifica della superficie per evitare un ulteriore consumo di litio.

(3) Utilizzando additivi funzionali o sviluppando nuovi sali di litio e solventi, è cruciale ottenere nuovi elettroliti con alta conducibilità ionica, alti numeri di trasferimento e ampi intervalli di temperatura, poiché gli elettroliti determinano il trasporto ionico e le interfacce per specifiche chimiche delle batterie. Tuttavia, le linee guida per lo sviluppo degli elettroliti devono tener conto del fattore costo e del grado di protezione ambientale, altrimenti mancheranno di significato pratico.

(4) La maggior parte dei progetti di ricarica rapida basati su grafite è ancora valutata sulla base delle batterie a bottone. Poiché è una tecnologia che deve urgentemente essere applicata su larga scala, i ricercatori dovrebbero valutarla in celle pouch o celle cilindriche per verificare il suo potenziale di applicazione commerciale.