การใช้พีทูเลียมโค้กเป็นวัสดุแอโนด

2025-03-26

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานที่สามารถรีไซเคิลได้ ซึ่งเรียกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรอง ซึ่งประกอบด้วยขั้วบวก ขั้วลบ แผ่นกั้น และระบบของเหลวอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ประเภทนี้มีลักษณะเด่นคือมีความหนาแน่นพลังงานสูงเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่หลักอื่น ๆ ไม่มีผลกระทบจากหน่วยความจำ และมีการปล่อยประจุตนเองต่ำ วัสดุแอโนดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบ่งออกเป็นกราไฟต์เทียมและกราไฟต์ธรรมชาติ วัสดุดิบของกราไฟต์เทียมส่วนใหญ่ได้แก่ น้ำมันและโค้กเข็มถ่านหิน

พีทูเลียมโค้กคุณภาพสูง ซึ่งแสดงโดยพีทูเลียมโค้กเข็ม มีข้อดีหลายประการ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ช่องว่างต่ำ กำมะถันต่ำ เถ้าต่ำ สารโลหะต่ำ ความนำไฟฟ้าสูง และการกราไฟต์ง่าย จึงถือว่าเป็นวัสดุแอโนดคุณภาพสูงสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

พีทูเลียมโค้กคุณภาพสูงถูกใช้เป็นวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งโดยทั่วไปต้องการการทำให้บริสุทธิ์ การบด การคัดขนาดอนุภาค การกราไฟต์ การปรับปรุงพื้นผิว และกระบวนการอื่น ๆ ทั้งหมดนี้ใช้เวลานาน และผลสุดท้ายมีปัจจัยที่มีอิทธิพลมากมาย บางข้อกังวลที่ใหญ่ที่สุดคือ:
(1) กลไกของโครงสร้างคาร์บอนที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ;
(2) ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของวัสดุแอโนดและโครงสร้างของวัสดุคาร์บอน;
(3) มีวัสดุคาร์บอนที่เหมาะสมเพื่อตอบสนองความต้องการของวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือไม่?

1. อิทธิพลของอุณหภูมิหลังการบำบัดของพีทูเลียมโค้กคุณภาพสูงต่อประสิทธิภาพของมัน

การบำบัดความร้อนหลังการผลิตพีทูเลียมโค้กคุณภาพสูงแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน: การเผาไหม้และการกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง การเผาไหม้หมายถึงกระบวนการเผาไหม้ที่ต่ำกว่า 1500 และการกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงหมายถึงกระบวนการบำบัดที่อุณหภูมิใกล้ 3000
พีทูเลียมโค้กคุณภาพสูงที่ผลิตจากกระบวนการทำให้เป็นโค้กแบบหน่วงเวลา จะถูกเผาในเตาโรตารี่ ซึ่งช่วยลดความชื้นและสารระเหยได้อย่างมีนัยสำคัญ และสะดวกต่อการขนส่งและเก็บรักษา ในระหว่างกระบวนการกราไฟต์ อุณหภูมิการกราไฟต์เป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อระดับการกราไฟต์ของพีทูเลียมโค้กคุณภาพสูง

ในช่วง 700 ~ 1000 อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้ระยะห่างของชั้นกราไฟต์ของตัวอย่างที่ถูกคาร์บอนไดออกไซด์เล็กลง และเพิ่มความเป็นระเบียบของโครงสร้างของตัวอย่าง ช่วงนี้ของโค้กสามารถเรียกว่าเป็นคาร์บอนอ่อน ความจุเริ่มต้นของตัวอย่างที่ได้รับการบำบัดที่อุณหภูมินี้สูงกว่าความจุทฤษฎีของกราไฟต์ที่ 340 mAh/g อย่างไรก็ตาม การได้รับศักย์การชาร์จและการปล่อยประจุที่เสถียรสำหรับวัสดุแอโนดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ทำจากพีทูเลียมโค้กเข็มนั้นเป็นเรื่องยาก

หลังจากการกราไฟต์ของพีทูเลียมโค้กเข็มและพีทูเลียมโค้กที่ 2800 พบว่าพีทูเลียมโค้กเข็มที่กราไฟต์แล้วหลังจากการชาร์จและการปล่อยประจุซ้ำ 40 ครั้ง ความจุลิเธียมของมันสามารถคงที่ที่ 301mAh/g ในขณะที่พีทูเลียมโค้กที่กราไฟต์มีเพียง 240mAh/g นี่เป็นเพราะวัสดุดิบของพีทูเลียมโค้กเข็มถูกทำให้บริสุทธิ์ และพื้นที่กึ่งกลางกว้างสามารถเกิดขึ้นในกระบวนการทำให้เป็นโค้ก สุดท้ายพีทูเลียมโค้กเข็มจะกราไฟต์ได้ง่ายกว่าและระดับการกราไฟต์สูงกว่า

2. โครงสร้างจุลภาคและกลไกการเก็บลิเธียมของโค้กปิโตรเลียมคุณภาพสูง

(1) แทนที่ด้วยคาร์บอนนุ่ม มีกลไกการเก็บลิเธียมที่หลากหลาย เช่น การเก็บลิเธียมในระหว่างชั้นของไมโครคริสตัลกราไฟต์ การเก็บลิเธียมโดยนาโนพอร์หรือรอยแตกในคาร์บอนนุ่ม และฟิล์มอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ที่เกิดจากปฏิกิริยาของข้อบกพร่องที่ผิวหรือกลุ่มฟังก์ชันที่เหลืออยู่ของวัสดุคาร์บอนกับ Li+ เป็นต้น

(2) ประเภทที่สอง ซึ่งแสดงโดยกราไฟต์เทียม จะเป็นการเก็บลิเธียมกราไฟต์ในชั้นระหว่างกันเป็นหลัก ดังนั้นความจุแรกจะน้อยกว่าคาร์บอนนุ่ม

โดยสรุปแล้วผลกระทบสุดท้ายของอุณหภูมิการทำให้เป็นกราไฟต์คือโครงสร้างภายในของปิโตรเลียมโค้กคุณภาพสูงและวัสดุคาร์บอนอื่นๆ หากโครงสร้างภายในของวัสดุมีการจัดระเบียบมากขึ้นและง่ายต่อการสร้างกราฟิไทเซชัน ความจุของอิเล็กโทรดเชิงลบขั้นสุดท้ายจะสูงขึ้นและประสิทธิภาพรอบการทำงานจะดีขึ้น อย่างไรก็ตาม แม้ว่าวัสดุคาร์บอนที่สร้างกราฟิไทเซชันในปริมาณมากจะมีความจุสูงและแพลตฟอร์มการชาร์จ-ปล่อยที่เสถียร แต่ประสิทธิภาพรอบการทำงานและประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำจะไม่ดี นั่นเป็นเพราะเมื่อใส่ Li+ เข้าไปในชั้นกราไฟต์ ก็จะสร้างสารประกอบชั้นกลางของกราไฟต์กับกราไฟต์แบบแผ่น และชั้นกราไฟต์ก็จะขยายตัว เมื่อ Li+ ถูกอัดขึ้นรูป กราไฟต์จะกลับคืนสู่สถานะเดิม ในกระบวนการขยายและหดตัวซ้ำๆ โครงสร้างของชั้นกราไฟต์จะถูกทำลายได้ง่าย และอาจทำให้ตัวทำละลายฝังตัวพร้อมกัน ทำให้ประสิทธิภาพรอบการทำงานของอิเล็กโทรดเชิงลบลดลง ดังนั้น ควรควบคุมระดับการสร้างกราฟิไทเซชันในกระบวนการสร้างกราฟิไทเซชันของวัสดุคาร์บอน เช่น ปิโตรเลียมโค้กคุณภาพสูง และจำเป็นต้องมีโครงสร้างอะมอร์ฟัสบางส่วนระหว่างไมโครคริสตัลเพื่อรักษาความแข็งแรงของโครงสร้างในระดับหนึ่ง

3. คาร์บอนอ่อนเป็นวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงานต้องการประสิทธิภาพอัตราที่สูงขึ้นเพื่อลดเวลาในการชาร์จ ประสิทธิภาพที่ดีในอุณหภูมิต่ำเพื่อตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมการทำงานที่แตกต่างกัน ความจุขนาดใหญ่เพื่อลดขนาดของแบตเตอรี่ และความเสถียรที่ดีกว่าเพื่อป้องกันปัญหาด้านความปลอดภัย
คาร์บอนอ่อนเป็นวัสดุขั้วบวกเป็นครั้งแรกมีประสิทธิภาพต่ำและไม่มีแพลตฟอร์มแรงดันที่เสถียร Alcantara et al. เสนอคำอธิบายสองประการสำหรับประสิทธิภาพต่ำของรอบแรก:
(1) เนื่องจากการตอบสนองของ Li+ และไฮโดรคาร์บอนอัลฟาในอุณหภูมิต่ำในโค้กทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สามารถย้อนกลับได้;
(2) Li+ ผูกพันอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้กับชิ้นส่วนกราไฟต์ที่อยู่ขอบที่เปิดเผยของโค้ก นอกจากประสิทธิภาพต่ำของรอบแรกแล้ว เนื่องจากช่องว่างระหว่างชั้น แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จและการปล่อยจะล่าช้าและขั้วไฟฟ้าจะไม่เสถียร อย่างไรก็ตาม ข้อดีของวัสดุขั้วบวกคาร์บอนอ่อนคือแรงดันไฟฟ้าที่ทำงานค่อนข้างสูง ซึ่งสามารถป้องกันการใช้ลิเธียมโลหะที่ปลอดภัยซึ่งเกิดจากการลัดวงจรและปัญหาอื่น ๆ ประการที่สอง ต้นทุนต่ำ และไม่ต้องการการกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง

4. สรุปและแนวโน้ม

โค้กปิโตรเลียมที่เหมาะสมสำหรับวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน S, O และเนื้อหาของอะตอมเฮเทอโรอื่น ๆ มีน้อย ง่ายต่อการกราไฟต์ และต้องมีการกระจายขนาดอนุภาคที่เหมาะสมและพื้นที่ผิวเล็ก ๆ เป็นต้น โค้กปิโตรเลียมคุณภาพสูงที่ผ่านการเผาไหม้และวัสดุคาร์บอนอ่อนอื่น ๆ มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในอุณหภูมิต่ำและประสิทธิภาพอัตรา ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับความสนใจมากขึ้นในด้านวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ปัญหาด้านประสิทธิภาพรอบและความเสถียรยังคงต้องได้รับการแก้ไข
การเผาไหม้และการกราไฟต์สามารถเปลี่ยนโครงสร้างภายในของโค้กปิโตรเลียมคุณภาพสูง และจากนั้นเปลี่ยนประสิทธิภาพทางอิเล็กโทรเคมีของมันในฐานะวัสดุขั้วบวก อย่างไรก็ตาม วัสดุที่กราไฟต์แล้วยังต้องได้รับการปรับปรุงโดยใช้วิธีการวิศวกรรมวัสดุเพื่อแสดงคุณสมบัติการหมุนเวียน การขยาย และปริมาณที่ดี
มีแนวโน้มการพัฒนาสามประการของวัสดุขั้วบวกโค้กปิโตรเลียมในอนาคต:
(1) เพื่อให้มีความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับโครงสร้างของโค้กและปัจจัยที่มีอิทธิพล เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเตรียมแบบกำหนดเอง โดยมุ่งไปที่ความจุที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพอัตราที่สูงขึ้นของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน;
(2) การพัฒนาและการประยุกต์ใช้เชิงพาณิชย์ของวัสดุขั้วบวกโค้กผสมใหม่;
(3) การพัฒนาวัสดุขั้วบวกโค้กปิโตรเลียมใหม่ รวมถึงการเตรียมโค้กปิโตรเลียมที่ใช้ในการผลิตวัสดุคาร์บอนนาโนขั้วบวก และวัสดุขั้วบวกและขั้วลบใหม่ที่ตรงกับระบบแบตเตอรี่ใหม่