アスファルトを陽極材料に応用する

2025-03-26

商業陽極材料として使用されるグラファイトは、その理論的容量に限界があるため、高容量陽極材料の増大する需要を満たすことがますます困難になっています。ピッチをリチウムイオン電池陽極の炭素前駆体として使用することで、ピッチの高付加価値利用を実現できるだけでなく、陽極材料の電気化学的性能を向上させるための新たな方法や探求を提供します。

Li Pらは、ナノ酸化マグネシウム粒子をテンプレートとして、石油ピッチを炭素源として使用しました。液相で超音波分散した後、800℃の高温で窒素保護下で1時間処理し、漬け込みによりテンプレートを除去して独特の中空構造を持つ超薄型中空構造を準備しました。多孔性カーボンシェル（PACS）。PACSは、超薄ラムラ層と階層的多孔構造により、イオン輸送のためのより多くの活性部位を提供し、1 A g-1の電流密度で1,000サイクル後に334 mAh g-1の可逆容量と90%の容量保持を示します。

調製中、空気中への酸素の導入により架橋が促進され、エマルジョン内の低軟化点アスファルトの合体を回避し、その球状形状を安定化するための後処理を必要としません。リチウムイオン電池の負極材料として使用した場合、PCBのグラム容量はそれぞれ0.05 Ag-1および5 Ag-1の電流密度で373.6 mAhg-1および125.8 mAhg-1です。容量はそれぞれ316.1 mAhcm-3および106.4 mAhcm-3です。

アスファルトを基にした炭素材料は負極として使用でき、アスファルトの価値を向上させることができますが、アスファルトの成分が複雑であるため、アスファルト材料自体の容量は高くなく、直接負極材料として使用する場合は微細構造設計を行う必要があり、大量生産が困難でコストが高すぎます。そのため、アスファルトは通常、生産プロセスで改良材料として使用され、高付加価値利用を実現します。

表面コーティングは、現在、産業で陽極材料を改良するために最も一般的に使用される方法の一つです。この方法は、固相、液相、または気相の炭化によって材料の表面にアモルファス炭素の層を形成し、「コアシェル構造」を構築します。表面の「シェル構造」は、負極材料の活性中心の体積膨張や構造損傷を効果的に抑制し、緩衝し、電解液との相互適合性を高め、電極材料の安定性を維持します。

リチウムイオン電池のアノード材料としてのグラファイトは、充放電の過程でリチウムイオンの埋没と剥離によりグラファイトの層状剥離や構造破壊が生じる、グラファイトと電解質の相互作用が悪い、グラファイト内のリチウムイオンの化学拡散係数が小さいなど、多くの問題を抱えています。これらの問題を解決するためには、グラファイトを改良する必要があります。改良されたグラファイトの一般的な炭素源として、アスファルトが研究者たちに広く注目されています。

ピッチ系アノード材料は、材料構造と製造方法にいくつかの革新を持ち、容量および速度性能はグラファイト系アノード材料と比較して大きな突破口を迎えていますが、充放電電圧のヒステリシス現象が深刻で、エネルギー密度が低下し、大量生産が難しいのが現状です。しかし、アスファルトコーティングの改良メカニズムは依然として不明であり、材料特性のさらなる向上と改良材料の特性の一貫性の維持は依然として不明です。技術改善の余地は大きいです。

アスファルトは産業で広く使用されていますが、アスファルト原材料の複雑な源と加工技術の違いにより、アスファルトの組成と構造は複雑です。生産プロセス中、原アスファルトの選別時間が長いため、選別プロセスの不安定性がコストの増加と完成品の一貫性の低下を引き起こします。したがって、リチウムイオン電池のアノード材料用の特別なアスファルトの開発とアスファルトの迅速な検出も、今後のアスファルト改良アノード材料の焦点となります。