Szybkie ładowanie materiału anodowego grafitowego

2025-03-26

Jako pierwszy skomercjalizowany materiał na ujemny elektrodę dla baterii litowo-jonowych, grafit ma zalety wysokiej pojemności, stabilnej struktury i dobrej przewodności elektrycznej. Co ważniejsze, ma szeroki zakres źródeł i niskie koszty. Nadal jest to najbardziej mainstreamowy materiał anodowy w chwili obecnej i w krótkim okresie trudno go całkowicie zastąpić. W miarę jak baterie litowo-jonowe są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, zdolność do szybkiego ładowania stała się najważniejszym wskaźnikiem wydajności grafitu. Z powodu powolnej kinetyki interkalacji litu i ekstremalnie niskiego potencjału redoks, pojemność, stabilność i bezpieczeństwo grafitu przy wysokich prędkościach ładowania i rozładowania nie mogą spełnić potrzeb baterii zasilających. Dlatego modyfikacja grafitu w celu poprawy jego wydajności szybkiego ładowania stała się w ostatnich latach przedmiotem badań naukowców.

Dla problemów z grafitem w szybkim ładowaniu, obecne rozwiązania są następujące.

(1) Konstrukcja stabilnej sztucznej membrany SEI. Poprzez skonstruowanie organiczno-nieorganicznego sztucznego filmu SEI o stabilnej strukturze, wysokim potencjale redoks i dobrej przewodności jonowej na powierzchni grafitu, można nie tylko zredukować anizotropowość transportu jonów litu w graficie, ale także poprawić szybkość migracji jonów litu. Mała polaryzacja, aby uniknąć osadzania metalu litu na powierzchni grafitu podczas ładowania i rozładowania z dużą prędkością. Dodatkowo, sztuczny film SEI może również pełnić rolę „sita różnicującego” dla jonów litu i cząsteczek rozpuszczalnika, unikając uszkodzenia struktury grafitu spowodowanego współinterkalacją cząsteczek rozpuszczalnika.

(2) Morfologia i projektowanie strukturalne. Poprzez modyfikację morfologii i struktury grafitu (taką jak projektowanie struktury otworów) można zwiększyć liczbę aktywnych miejsc do interkalacji krawędziowej grafitu oraz poprawić mobilność jonów litu w graficie.

(3) Optymalizacja elektrolitu. Poprzez optymalizację użycia rozpuszczalników, regulację rodzaju i stężenia soli litowych oraz dodawanie dodatków organicznych/inorganicznych, strukturę solwatacyjną jonów litowych w elektrolicie można skutecznie dostosować, można zmniejszyć barierę desolwatacji jonów litowych oraz zbudować stabilną warstwę SEI. A także złagodzić wpływ współinterkalacji cząsteczek rozpuszczalnika na stabilność grafitu.

(4) Optymalizuj strategię ładowania. Poprzez optymalizację protokołu ładowania, regulację prądu ładowania, napięcia i czasu relaksacji, można osiągnąć limit szybkości ładowania bez tworzenia dendrytów litu, a także osiągnąć równowagę między żywotnością cyklu a szybkością ładowania. Metody te mogą skutecznie poprawić pojemność i stabilność grafitu w warunkach szybkiego ładowania oraz stanowić odniesienie dla realizacji ładowania „tankowania” pojazdów elektrycznych.

Jednak szybkie ładowanie w technologii grafitowej wciąż napotyka następujące wyzwania: Jeśli piszesz kod, nie dołączaj "line_number|" przed każdą linią kodu.

(1) Stabilność chemiczna grafitu jest niezwykle silna, a zwilżalność powierzchni jest bardzo słaba. Dlatego trudno jest skonstruować sztuczne filmy ochronne SEI za pomocą prostych metod fizycznych i chemicznych. Większość obecnych badań wymaga stosowania metod takich jak ALD (depozycja warstwy atomowej), CVD (depozycja pary) i innych. Metody te do konstrukcji sztucznych filmów ochronnych SEI mają wysokie koszty, skomplikowany proces, niską wydajność i nie mają możliwości dużej skali industrializacji. Dlatego kluczowym zagadnieniem przyszłych badań jest to, jak zacząć od samego grafitu i zmienić jego wewnętrzne właściwości fizyczne i chemiczne, aby w prosty i wygodny sposób zrealizować konstrukcję sztucznego filmu ochronnego SEI.

(2) Projektując pory i redukując morfologię oraz strukturę cząstek grafitu, chociaż można zwiększyć miejsca interkalacji litu w graficie, wzrost aktywnych miejsc często wiąże się z intensyfikacją reakcji ubocznych i spadkiem pierwszej efektywności Coulombowskiej. Biorąc pod uwagę, że cena soli litu osiągnęła najwyższy poziom w historii, projekt szybkiego ładowania grafitu nie może odbywać się kosztem zwiększenia nieodwracalnej pojemności po raz pierwszy. Dlatego strategia regulacji morfologii i struktury musi być stosowana w połączeniu z innymi strategiami modyfikacji powierzchni, aby uniknąć dodatkowego zużycia litu.

(3) Używając dodatków funkcjonalnych lub opracowując nowe sole litu i rozpuszczalniki, kluczowe jest uzyskanie nowych elektrolitów o wysokiej przewodności jonowej, wysokich liczbach transferowych i szerokich zakresach temperatur, ponieważ elektrolity determinują transport jonów i interfejsy dla specyficznych chemii akumulatorów. Jednak wytyczne dotyczące rozwoju elektrolitów muszą uwzględniać czynnik kosztowy i stopień ochrony środowiska, w przeciwnym razie będą pozbawione praktycznego znaczenia.

(4) Większość projektów szybkiego ładowania opartych na graficie jest nadal oceniana na podstawie akumulatorów guzikowych. Jako technologia, która pilnie potrzebuje dużej skali zastosowań przemysłowych, badacze powinni ocenić ją w ogniwach woreczkowych lub cylindrycznych, aby zweryfikować jej potencjał komercyjny.