Быстрый заряд графитового анодного материала

2025-03-26

Будучи первым коммерциализированным материалом для негативного электрода литий-ионных батарей, графит имеет преимущества высокой емкости, стабильной структуры и хорошей электрической проводимости. Более того, у него широкий спектр источников и низкая стоимость. В настоящее время он остается самым распространенным материалом для анодов, и его трудно полностью заменить в краткосрочной перспективе. Поскольку литий-ионные батареи широко используются в электрических автомобилях, способность к быстрой зарядке стала самым важным показателем производительности графита. В условиях медленной кинетики интеркалирования лития и крайне низкого редокс-потенциала емкость, стабильность и безопасность графита при быстрой зарядке и разрядке не могут удовлетворить потребности силовых батарей. Поэтому модификация графита с целью улучшения его производительности при быстрой зарядке стала предметом внимания исследователей в последние годы.

Для решения проблем графита при быстрой зарядке текущие решения выглядят следующим образом.

(1) Конструирование стабильной искусственной SEI мембраны. Конструируя органическую/неорганическую искусственную SEI пленку со стабильной структурой, высоким редокс-потенциалом и хорошей ионной проводимостью на поверхности графита, можно не только снизить анизотропию переноса ионов лития в графите, но и улучшить скорость миграции ионов лития. Небольшая поляризация позволит избежать осаждения литиевого металла на поверхности графита во время быстрой зарядки и разрядки. Кроме того, искусственная SEI пленка также может служить «разделительным ситом» для ионов лития и молекул растворителей, что предотвращает повреждение структуры графита, вызванное совместным интеркалированием молекул растворителей.

(2) Морфология и структурный дизайн. Изменяя морфологию и структуру графита (например, проектируя отверстия), можно увеличить количество активных сайтов для интеркаляции лития в гранях графита, а также улучшить подвижность литий-ионов в графите.

(3) Оптимизация электролита. Оптимизируя использование растворителей, регулируя тип и концентрацию литиевых солей и добавляя органические/неорганические добавки, можно эффективно настроить структуру солватации литий-ионов в электролите, уменьшить барьер десолвации литий-ионов и построить стабильную пленку SEI. Кроме того, это поможет смягчить влияние соинтеркаляции молекул растворителя на стабильность графита.

(4) Оптимизация стратегии зарядки. Оптимизируя протокол зарядки, регулируя зарядный ток, напряжение и время релаксации, можно достичь предельной скорости зарядки без образования литиевых дендритов и добиться баланса между циклом жизни и скоростью зарядки. Эти методы могут эффективно улучшить емкость и стабильность графита при условиях быстрой зарядки и предоставить ориентиры для реализации зарядки «перезаправкой» электрических автомобилей.

Тем не менее, проектирование быстрой зарядки графита все еще сталкивается со следующими проблемами:

(1) Химическая стабильность графита крайне высока, а его поверхность имеет плохую смачиваемость. Поэтому сложно построить искусственные защитные пленки SEI с помощью простых физических и химических методов. Большинство современных исследований требуют применения атомно-слоевого депонирования (ALD), химического парового осаждения (CVD) и других методов. Эти методы для создания искусственных защитных пленок SEI имеют высокую стоимость, сложный процесс, низкую эффективность и не имеют реальной возможности для масштабной индустриализации. Поэтому, как начать с самого графита и изменить его собственные физические и химические свойства, чтобы реализовать создание искусственной защитной пленки SEI простым и удобным способом, является акцентом будущих исследований.

(2) Путем проектирования пор и снижения морфологии и структуры графитовых частиц, хотя можно увеличить количество сайтов интеркаляции лития, увеличение активных сайтов часто сопровождается усилением побочных реакций и снижением первого куликовского КПД. Учитывая, что цена литиевых солей достигла рекордного уровня, проектирование быстрой зарядки графита не может происходить за счет увеличения необратимой емкости при первой зарядке. Поэтому стратегия регулирования морфологии и структуры должна использоваться в сочетании с другими стратегиями модификации поверхности, чтобы избежать дополнительного потребления лития.

(3) Используя функциональные добавки или разрабатывая новые литиевые соли и растворители, критически важно получить новые электролиты с высокой ионной проводимостью, высоким числом переносимости и широкими диапазонами температур, так как электролиты определяют транспорт ионов и интерфейсы для конкретных химий батарей. Однако руководящие принципы разработки электролитов должны учитывать фактор стоимости и степень экологической безопасности, в противном случае они не будут иметь практического значения.

(4) Большинство проектов по быстрой зарядке на основе графита все еще оцениваются на основе кнопочных батарей. Как технология, которой срочно необходимо широкомасштабное промышленное применение, исследователи должны оценить ее в пакетных или цилиндрических ячейках, чтобы подтвердить ее потенциальное коммерческое применение.