Хурдтай цэнэглэлттэй графит анод материал

2025-03-26

Лити-ион батарейд зориулсан анхны худалдаалсан сөрөг электродын материалын хувьд графит нь өндөр хүчин чадал, тогтвортой бүтэц, сайн цахилгаан дамжуулалт зэрэг давуу талуудтай. Чухал нь, энэ нь өргөн хүрээний эх үүсвэртэй, бага зардалтай. Энэ нь одоогийн байдлаар хамгийн их эрэлттэй анодын материал бөгөөд богино хугацаанд бүрэн орлох нь хэцүү. Лити-ион батарейууд цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд өргөнөөр ашиглагдаж байгаа учраас хурдан цэнэглэх чадвар нь графитын хамгийн чухал ажиллагаан шалгуур болж байна. Лити-ионын сектарил поведени болон маш доогуур уусдаг потенциалд захирагдан графитын хүчин чадал, тогтворгүй байдал, аюулгүй байдал өндөр хурдны цэнэглэх, зай хураах үед эрчим хүчний батарейдын шаардлагыг хангах боломжгүй юм. Тиймээс графитыг хурдан цэнэглэх ажиллагааг сайжруулахын тулд модификац хийх нь сүүлийн жилүүдэд судлаачдын анхаарлын төвд байгаа асуудал болж байна.

Хурдан цэнэгдэх графитын асуудлын хувьд одоогийн шийдлүүд дараах байдалтай байна.

(1) Тогтвортой хиймэл SEI мембран байгуулах. Графитын гадаргуу дээр тогтвортой бүтэцтэй, өндөр уусгах потенциалтай, сайн ионы дамжуулалттай органик/инорганик хиймэл SEI хальс байгуулах замаар, энэ нь графитын доторх лити ионы тээвэрлэлийн анизотропийг багасгаж, лити ионуудын шилжих хурдыг сайжруулж чадна. Өндөр хурдны цэнэглэх, зай хураах үеэр графитын гадаргуу дээр лити металын хуримтлал үүсэхээс зайлсхийхийн тулд жижиг поляризацийг бий болгоно. Мөн, хиймэл SEI хальс нь лити ионууд болон уусгагчийн молекулуудын хувьд "ялгах шүүлтүүр" болгон ажиллаж, уусгагчийн молекулуудын хамт орж графитын бүтэцэд учрах гэмтлийг зайлсхийх боломжтой.

(2) Метал зургийн бүтэц ба зохион бүтээлт. Графитын морфологийг (жишээлбэл, хоолой бүтэц дизайн) өөрчлөх замаар графитын ирмэгийн дундуур орж ирэх идэвхитэй сайтуудын тоог нэмэгдүүлж, графид литий ионы хөдөлгөөн чадварыг сайжруулах боломжтой.

(3) Электролитын оптимизаци. Уусгагчийн хэрэглээг оптимизлож, литий давсуудын төрөл болон концентрацийг зохицуулан, органик/инорганик нэмэлт бодисуудыг нэмснээр, литий ионы уусгалтын бүтцийг үр дүнтэйгээр зохицуулах, литий ионы десолвацийн саадыг бууруулах, тогтвортой SEI кино бүтээх боломжтой. Мөн уусгагчийн молекулын хамтарсан оролцоо графитын тогтвортой байдалд үзүүлэх нөлөөг намжаах боломжтой.

(4) Цэнэглэлт стратегийг оптимизлох. Цэнэглэх протоколыг оптимизлож, цэнэглэх гүйдэл, хүчдэл болон амралтын хугацааг зохицуулснаар литий дентритийн үүсэлтгүйгээр цэнэглэх хурдны хязгаарт хүрч, циклийн амьдрал ба цэнэглэх хурдын тэнцвэрийг олж авах боломжтой. Эдгээр аргууд нь хурдан цэнэглэх нөхцөлд графитын хүчин чадал ба тогтвортой байдлыг үр дүнтэйгээр сайжруулж, цахилгаан автомашинуудын "наалдах" цэнэглэлт бодитой болгоход зөвлөмж болох боломжтой.

Гэвч графитыг хурдан цэнэглэх дизайны дараах сорилтууд бий:

(1) Графитын химийн тогтвортой байдал маш өндөр бөгөөд гадаргын ус шингээгч чанар маш муу. Иймээс зарим энгийн физик болон химийн аргачлалаар хиймэл SEI хамгаалалтын кино бүтээх нь хэцүү байдаг. Одоогийн судалгааны ихэнх нь ALD атомын давхаргын deposition, CVD уурын deposition зэрэг аргачлалыг ашигладаг. Эдгээр аргуудын тусламжтайгаар хиймэл SEI хамгаалалтын кино бүтээх нь өндөр зардал, хүндрэлтэй процесс, бага үр дүнтэй, том хэмжээний үйлдвэрлэлд хэрэгжүүлэх боломжгүй. Тиймээс графитаас эхэлж, түүний дотоод физик, химийн шинж чанаруудыг өөрчлөх замаар хиймэл SEI хамгаалалтын кино бүтээхийг энгийн болон тав тухтай байдлаар хийх хэрэгцээ нь ирээдүйн судалгааны төвлөрөл юм.

(2) Хоолойг дизайн зохион байгуулах, графитын бөөмсийн морфологийг болон бүтэцийг багасгах замаар, графитын литий орж ирэх сайтуудыг нэмэгдүүлэх боломжтой хэдий ч, идэвхитэй сайтуудын өсөлт нь ихэвчлэн талхны урвалын хувьд хүчтэй болж, анхны Куломбын үр ашгийн бууралтад хүргэдэг. Литий ионуудын давсны үнэ бүх цаг үеийн хамгийн өндөр түвшинд хүрсэн тул графитыг хурдан цэнэглэх дизайн нь анхны удаа буцаан гаргалт хийх чадварыг нэмэгдүүлэх эсвэл зарцуулахад хүргэж болохгүй. Тиймээс морфологи ба бүтэц зохицуулах стратегийг бусад гадаргын өөрчлөлтийн стратегийн хамт хэрэгжүүлэх шаардлагатай, нэмэлт литий хэрэглээг зайлсхийх.

(3) Үйл ажиллагааны нэмэлт бодисуудыг ашиглах эсвэл шинэ литий давс, уусгагчдыг хөгжүүлэх замаар, ионы дамжуулалт, өндөр дамжуулалтын тоо, өргөн температурын хүрээтэй шинэ электролитуудаа олж авах нь чухал бөгөөд электролитууд нь тодорхой батарейны химийн онцлогийн ионы тээврийн болон интерфэйсийг тогтоодог. Гэвч электролитуудын хөгжлийн чиглэл нь зардлын хүчин зүйл болон байгаль орчныг хамгаалах хэмжээг харгалзан үзэх шаардлагатай, бусад тохиолдолд практик утгагүй болно.

(4) Графит суурьтай хурдан цэнэглэх дизайнуудын ихэнх нь одоогоор товчлуурын зайны үндсэн дээр үнэлэгдэж байна. Том хэмжээний үйлдвэрлэлийн хэрэглээ шаардлагатай энэ технологийг судлаачид уутан эсүүд эсвэл цилиндр хэлбэрийн эсүүдээр шалгаж, худалдааны хэрэглээний потенциалыг баталгаажуулах хэрэгтэй.