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) Constructing a stable artificial SEI membrane. By constructing an organic/inorganic artificial SEI film with stable structure, high redox potential and good ionic conductivity on the graphite surface, it can not only reduce the anisotropy of lithium ion transport in graphite, but also improve the migration rate of lithium ions. Small polarization to avoid the deposition of lithium metal on the graphite surface during high-rate charge and discharge. In addition, the artificial SEI film can also serve as a “differentiating sieve” for lithium ions and solvent molecules, avoiding the damage of the graphite structure caused by the co-intercalation of solvent molecules.

(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) Optimize the charging strategy. By optimizing the charging protocol, regulating the charging current, voltage and relaxation time, the charging rate limit can be reached without the formation of lithium dendrites, and the balance between cycle life and charging rate can be achieved. These methods can effectively improve the capacity and stability of graphite under fast charging conditions, and provide a reference for the realization of “refueling” charging of electric vehicles.

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.