Snel opladen grafiet anodemateriaal

2025-03-26

Als het eerste gecommercialiseerde negatieve elektrode materiaal voor lithium-ionbatterijen heeft grafiet de voordelen van hoge capaciteit, stabiele structuur en goede elektrische geleidbaarheid. Belangrijker nog, het heeft een breed scala aan bronnen en lage kosten. Het is momenteel nog steeds het meest mainstream anodemateriaal en het is moeilijk om het op korte termijn volledig te vervangen. Aangezien lithium-ionbatterijen op grote schaal worden gebruikt in elektrische voertuigen, is de snel oplaadcapaciteit de belangrijkste prestatie-indicator van grafiet geworden. Onderhevig aan de langzame lithium-invoegkinetiek en extreem lage redoxpotentiaal, kunnen de capaciteit, stabiliteit en veiligheid van grafiet onder hoge laadsnelheden niet voldoen aan de behoeften van krachtbatterijen. Daarom is de modificatie van grafiet om de snel oplaadprestaties te verbeteren de focus van onderzoek door wetenschappers in de afgelopen jaren geweest.

Voor de problemen van grafiet bij snel opladen zijn de huidige oplossingen als volgt.

(1) Het construeren van een stabiele kunstmatige SEI-membraan. Door een organische/inorganische kunstmatige SEI-film met een stabiele structuur, hoge redoxpotentiaal en goede iongeleiding op het grafietoppervlak te construeren, kan niet alleen de anisotropie van lithiumiontransport in grafiet worden verminderd, maar ook de migratiesnelheid van lithiumionen worden verbeterd. Kleine polarisatie om de afzetting van lithiummetaal op het grafietoppervlak tijdens hoge laad- en ontlaadsnelheden te vermijden. Bovendien kan de kunstmatige SEI-film ook dienen als een “differentiërende zeef” voor lithiumionen en oplosmiddelmoleculen, waardoor de schade aan de grafietstructuur door de co-intercalatie van oplosmiddelmoleculen wordt vermeden.

(2) Morfologie en structureel ontwerp. Door de morfologie en structuur van grafiet te modificeren (zoals het ontwerp van de gatenstructuur), kan het aantal actieve sites voor randintercalatie van grafiet worden verhoogd, en kan de mobiliteit van lithiumionen in grafiet worden verbeterd.

(3) Optimalisatie van elektrolyten. Door het gebruik van oplosmiddelen te optimaliseren, het type en de concentratie van lithiumzouten te reguleren en organische/inorganische additieven toe te voegen, kan de solvatiestructuur van lithiumionen in de elektrolyt effectief worden aangepast, kan de desolvatiebarrière van lithiumionen worden verlaagd en kan een stabiele SEI-film worden opgebouwd. Daarnaast kan de invloed van co-intercalatie van oplosmiddel moleculen op de stabiliteit van grafiet worden verminderd.

(4) Optimaliseer de oplaadstrategie. Door het oplaadprotocol te optimaliseren, de oplaadstroom, spanning en ontspan tijd te reguleren, kan de oplaadsnelheidslimiet worden bereikt zonder de vorming van lithiumdendrieten, en kan de balans tussen cycluslevensduur en oplaadsnelheid worden bereikt. Deze methoden kunnen de capaciteit en stabiliteit van grafiet onder snelle oplaadomstandigheden effectief verbeteren en bieden een referentie voor de realisatie van "bijtank" opladen van elektrische voertuigen.

Echter, het snelle oplaadontwerp van grafiet heeft nog steeds de volgende uitdagingen:

(1) De chemische stabiliteit van grafiet is extreem sterk, en de natheid van het oppervlak is zeer slecht. Daarom is het moeilijk om kunstmatige SEI-beschermfilms te construeren met enkele eenvoudige fysische en chemische methoden. De meeste huidige onderzoeken moeten gebruikmaken van ALD (atomic layer deposition), CVD (vapor deposition) en andere methoden. Deze methoden om kunstmatige SEI-beschermfilms te construeren hebben hoge kosten, een omslachtig proces, lage efficiëntie en missen de haalbaarheid van grootschalige industrialisatie. Daarom is het de focus van toekomstig onderzoek om te beginnen met grafiet zelf en zijn intrinsieke fysische en chemische eigenschappen te veranderen, zodat de constructie van kunstmatige SEI-beschermfilms op een eenvoudige en handige manier kan worden gerealiseerd.

(2) Door poriën te ontwerpen en de morfologie en structuur van grafietdeeltjes te verminderen, kan het aantal lithiumintercalatieplaatsen van grafiet worden vergroot, hoewel de toename van actieve plaatsen vaak gepaard gaat met de intensivering van nevenreacties en de afname van de eerste Coulombse efficiëntie. Gezien het feit dat de prijs van lithiumzouten een recordhoogte heeft bereikt, kan het snelle oplaadontwerp van grafiet niet ten koste gaan van een toename van de onomkeerbare capaciteit voor de eerste keer. Daarom moet de regulatiestrategie van morfologie en structuur in combinatie met andere oppervlakte-modificatiestrategieën worden gebruikt om extra lithiumverbruik te vermijden.

(3) Door functionele additieven te gebruiken of nieuwe lithiumzouten en oplosmiddelen te ontwikkelen, is het cruciaal om nieuwe elektrolyten te verkrijgen met een hoge iongeleiding, hoge overdrachtsnummers en brede temperatuurbereiken, aangezien elektrolyten iontransport en interfaces voor specifieke batterijchemieën bepalen. De ontwikkelingsrichtlijnen van elektrolyten moeten echter rekening houden met de kostenfactor en de mate van milieubescherming, anders zal het gebrek aan praktische betekenis.

(4) De meeste op grafiet gebaseerde snelle oplaadontwerpen worden nog steeds geëvalueerd op basis van knoopbatterijen. Als een technologie die dringend grootschalige industriële toepassing nodig heeft, moeten onderzoekers het evalueren in pouch-cellen of cilindrische cellen om het commerciële toepassingspotentieel te verifiëren.