Material de ânodo de grafite de carregamento rápido

2025-03-26

Como o primeiro material de eletrodo negativo comercializado para baterias de íon de lítio, o grafite tem as vantagens de alta capacidade, estrutura estável e boa condutividade elétrica. Mais importante ainda, possui uma ampla gama de fontes e baixo custo. Continua sendo o material de ânodo mais mainstream atualmente, e é difícil ser completamente substituído em um curto espaço de tempo. À medida que as baterias de íon de lítio são amplamente utilizadas em veículos elétricos, a capacidade de carregamento rápido se tornou o indicador de desempenho mais importante do grafite. Submetido à lenta cinética de intercalação de lítio e ao potencial redox extremamente baixo, a capacidade, estabilidade e segurança do grafite sob carga e descarga de alta taxa não podem atender às necessidades das baterias de potência. Portanto, a modificação do grafite para melhorar seu desempenho de carregamento rápido tem sido o foco da pesquisa de acadêmicos nos últimos anos.

Para os problemas do grafite em carregamento rápido, as soluções atuais são as seguintes.

(1) Construção de uma membrana SEI artificial estável. Ao construir um filme SEI artificial orgânico/inorgânico com estrutura estável, alto potencial redox e boa condutividade iônica na superfície do grafite, pode-se não apenas reduzir a anisotropia do transporte de íons de lítio no grafite, mas também melhorar a taxa de migração dos íons de lítio. Pequena polarização para evitar a deposição de metal de lítio na superfície do grafite durante o carregamento e descarregamento de alta taxa. Além disso, o filme SEI artificial também pode servir como uma “peneira diferenciadora” para íons de lítio e moléculas de solvente, evitando o dano da estrutura do grafite causado pela co-intercalação de moléculas de solvente.

(2) Morfologia e design estrutural. Ao modificar a morfologia e a estrutura do grafite (como o design da estrutura de buracos), o número de sítios ativos para a intercalação de borda do grafite pode ser aumentado, e a mobilidade dos íons de lítio no grafite pode ser melhorada.

(3) Otimização do eletrólito. Ao otimizar o uso de solventes, regular o tipo e a concentração de sais de lítio, e adicionar aditivos orgânicos/inorgânicos, a estrutura de solvatação dos íons de lítio no eletrólito pode ser efetivamente ajustada, a barreira de desolvatação dos íons de lítio pode ser reduzida, e um filme SEI estável pode ser construído. Além de mitigar o efeito da co-intercalação de moléculas de solvente na estabilidade do grafite.

(4) Otimizar a estratégia de carregamento. Ao otimizar o protocolo de carregamento, regular a corrente de carregamento, a voltagem e o tempo de relaxamento, o limite da taxa de carregamento pode ser alcançado sem a formação de dendritos de lítio, e o equilíbrio entre a vida útil do ciclo e a taxa de carregamento pode ser alcançado. Esses métodos podem melhorar efetivamente a capacidade e a estabilidade do grafite sob condições de carregamento rápido, e fornecer uma referência para a realização do carregamento de "reabastecimento" de veículos elétricos.

No entanto, o design de carregamento rápido do grafite ainda enfrenta os seguintes desafios:

(1) A estabilidade química do grafite é extremamente forte, e a molhabilidade da superfície é muito baixa. Portanto, é difícil construir filmes protetores SEI artificiais por alguns métodos físicos e químicos simples. A maioria das pesquisas atuais precisa usar deposição de camada atômica ALD, deposição de vapor CVD e outros métodos. Esses métodos para construir filmes protetores SEI artificiais têm alto custo, processo complicado, baixa eficiência e não possuem viabilidade de industrialização em larga escala. Portanto, como partir do próprio grafite e modificar suas propriedades físicas e químicas intrínsecas, de modo a realizar a construção de filmes protetores SEI artificiais de maneira simples e conveniente, é o foco da pesquisa futura.

(2) Ao projetar poros e reduzir a morfologia e estrutura das partículas de grafite, embora os sítios de intercalação de lítio do grafite possam ser aumentados, o aumento dos sítios ativos frequentemente vem acompanhado pela intensificação de reações laterais e pela diminuição da primeira eficiência coulômbica. Dado que o preço dos sais de lítio atingiu um nível recorde, o design de carregamento rápido do grafite não pode ser realizado às custas do aumento da capacidade irreversível pela primeira vez. Portanto, a estratégia de regulação da morfologia e estrutura deve ser usada em conjunto com outras estratégias de modificação da superfície para evitar consumo adicional de lítio.

(3) Ao usar aditivos funcionais ou desenvolver novos sais de lítio e solventes, é crucial obter eletrólitos novos com alta condutividade iônica, altos números de transferência e amplas faixas de temperatura, pois os eletrólitos determinam o transporte iônico e as interfaces para químicas específicas de bateria. No entanto, as diretrizes de desenvolvimento dos eletrólitos devem levar em consideração o fator custo e o grau de proteção ambiental, caso contrário, faltarão significado prático.

(4) A maioria dos designs de carregamento rápido baseados em grafite ainda está sendo avaliada com base em baterias de botão. Como uma tecnologia que precisa urgentemente de aplicação industrial em larga escala, os pesquisadores devem avaliá-la em células pouch ou células cilíndricas para verificar seu potencial de aplicação comercial.