Materialul anodic din grafit pentru încărcare rapidă

2025-03-26

Ca primul material comercializat pentru electroda negativă a bateriilor cu litiu-ion, grafitul are avantajele unei capacități mari, unei structuri stabile și unei conductivități electrice bune. Mai important, are o gamă largă de surse și un cost scăzut. Este în continuare cel mai principal material anodic în prezent și este dificil de înlocuit complet pe termen scurt. Pe măsură ce bateriile cu litiu-ion sunt utilizate pe scară largă în vehiculele electrice, capacitatea de încărcare rapidă a devenit cel mai important indicator de performanță al grafitului. Supus cineticii lente de intercalare a litiului și potențialului redox extrem de scăzut, capacitatea, stabilitatea și siguranța grafitului în condiții de încărcare și descărcare la rate mari nu pot satisface nevoile bateriilor de putere. Prin urmare, modificarea grafitului pentru a îmbunătăți performanța sa de încărcare rapidă a fost centrul de interes al cercetărilor efectuate de cercetători în ultimii ani.

Pentru problemele grafitului în încărcarea rapidă, soluțiile actuale sunt următoarele.

(1) Construirea unei membrane SEI artificiale stabile. Prin construirea unei pelicule SEI artificiale organice/inorganice cu structură stabilă, potențial redox ridicat și conductivitate ionic bună pe suprafața grafitului, se poate reduce anisotropia transportului ionilor de litiu în grafit, dar și îmbunătăți rata de migrație a ionilor de litiu. Polarizare mică pentru a evita depunerea metalului de litiu pe suprafața grafitului în timpul încărcării și descărcării la rate mari. În plus, pelicula SEI artificială poate servi, de asemenea, ca un „sita de diferențiere” pentru ionii de litiu și moleculele de solvent, evitând deteriorarea structurii grafitului cauzată de co-intercalarea moleculelor de solvent.

(2) Morfologie și design structural. Prin modificarea morfologiei și structurii grafitului (cum ar fi designul structurii de găuri), numărul de site-uri active pentru intercalarea pe margine a grafitului poate fi crescut, iar mobilitatea ionilor de litiu în grafit poate fi îmbunătățită.

(3) Optimizarea electrolitului. Prin optimizarea utilizării solvenților, reglarea tipului și concentrației sărurilor de litiu și adăugarea de aditivi organici/inorganici, structura de solvatizare a ionilor de litiu din electrolit poate fi ajustată eficient, bariera de desolvatizare a ionilor de litiu poate fi redusă, iar un film SEI stabil poate fi construit. De asemenea, se poate atenua efectul co-intercalării moleculare a solvenților asupra stabilității grafitului.

(4) Optimizează strategia de încărcare. Prin optimizarea protocolului de încărcare, reglementarea curentului de încărcare, a tensiunii și a timpului de relaxare, se poate atinge limita ratei de încărcare fără formarea dendriților de litiu, iar echilibrul între durata de viață a ciclului și rata de încărcare poate fi realizat. Aceste metode pot îmbunătăți eficient capacitatea și stabilitatea grafitului în condiții de încărcare rapidă și oferă o referință pentru realizarea încărcării de tip „realimentare” a vehiculelor electrice.

Cu toate acestea, designul de încărcare rapidă al grafitului are în continuare următoarele provocări:

(1) Stabilitatea chimică a grafitului este extrem de puternică, iar umiditatea suprafeței este foarte slabă. Prin urmare, este dificil să se construiască filme de protecție SEI artificiale prin metode fizice și chimice simple. Majoritatea cercetărilor actuale necesită utilizarea depunerii atomice de straturi (ALD), depunerii prin vapori (CVD) și a altor metode. Aceste metode de construcție a filmelor de protecție SEI artificiale au costuri ridicate, un proces complicat, eficiență scăzută și nu au fezabilitatea industrializării la scară largă. Prin urmare, cum să pornim de la grafit în sine și să schimbăm proprietățile sale fizice și chimice intrinseci, pentru a realiza construcția filmului de protecție SEI artificial într-un mod simplu și convenabil, este punctul focal al cercetărilor viitoare.

(2) Prin proiectarea porilor și reducerea morfologiei și structurii particulelor de grafit, deși locurile de intercalare a litiului din grafit pot fi crescute, creșterea locurilor active este adesea însoțită de intensificarea reacțiilor secundare și de scăderea eficienței Coulombice inițiale. Având în vedere că prețul sărurilor de litiu a atins un maxim istoric, designul de încărcare rapidă al grafitului nu poate veni în detrimentul creșterii capacității ireversibile pentru prima dată. Prin urmare, strategia de reglementare a morfologiei și structurii trebuie utilizată împreună cu alte strategii de modificare a suprafeței pentru a evita consumul suplimentar de litiu.

(3) Prin utilizarea aditivilor funcționali sau dezvoltarea de noi săruri de litiu și solvenți, este crucial să obținem electroliți noi cu conductivitate ionicã ridicată, numere de transfer mari și intervale de temperatură largi, deoarece electroliții determină transportul ionilor și interfețele pentru chimia specifică a bateriilor. Cu toate acestea, liniile directoare de dezvoltare a electroliților trebuie să țină cont de factorul cost și de gradul de protecție a mediului, altfel va lipsi de semnificație practică.

(4) Cele mai multe dintre designurile de încărcare rapidă pe bază de grafit sunt încă evaluate pe baza bateriilor cu buton. Ca o tehnologie care are nevoie urgentă de aplicare industrială la scară largă, cercetătorii ar trebui să o evalueze în celule pouch sau celule cilindrice pentru a verifica potențialul său de aplicare comercială.