Hızlı şarj edilebilir grafit anot malzemesi

2025-03-26

Lityum iyon piller için ilk ticari negatif elektrot malzemesi olarak, grafit yüksek kapasite, stabil yapı ve iyi elektrik iletkenliği avantajlarına sahiptir. Daha da önemlisi, geniş kaynak yelpazesi ve düşük maliyeti vardır. Halen en yaygın anot malzemesi olup, kısa vadede tamamen yerinin doldurulması zor görünmektedir. Lityum iyon pillerinin elektrikli araçlarda yaygın kullanımıyla birlikte, hızlı şarj etme yeteneği grafitin en önemli performans göstergesi haline gelmiştir. Yavaş lityum interkalasyon kinetiği ve son derece düşük redoks potansiyeli nedeniyle, grafitin yüksek hızda şarj ve deşarj altında kapasitesi, stabilitesi ve güvenliği güç pilleri için ihtiyaçları karşılayamamaktadır. Bu nedenle, grafitin hızlı şarj performansını artırmak amacıyla modifikasyonu son yıllarda akademisyenlerin araştırma odak noktası olmuştur.

Grafitteki hızlı şarj sorunları için mevcut çözümler aşağıdaki gibidir.

(1) Stabil yapay SEI membranı inşa etmek. Grafit yüzeyinde stabilize yapıya, yüksek redoks potansiyeline ve iyi iyon iletkenliğine sahip organik/inorganik yapay bir SEI filmi oluşturarak, yalnızca lityum iyonlarının grafit içindeki taşınımındaki anizotropiyi azaltmakla kalmaz, aynı zamanda lityum iyonlarının göç hızını da artırabilir. Küçük polarizasyona neden olarak, yüksek hızda şarj ve deşarj sırasında grafit yüzeyinde lityum metalinin birikimini önleyebilir. Ayrıca, yapay SEI filmi aynı zamanda lityum iyonları ve solvent molekülleri için bir “ayırıcı elek” işlevi görebilir, solvent moleküllerinin birlikte interkalasyonu sonucunda grafit yapısında meydana gelebilecek zararı önleyebilir.

(2) Morfoloji ve yapı tasarımı. Grafitin morfolojisi ve yapısını (örneğin, delik yapısı tasarımı gibi) değiştirerek, grafitin kenar interkalasyonu için aktif alan sayısını artırabilir ve grafit içindeki lityum iyonlarının hareketliliğini iyileştirebiliriz.

(3) Elektrolit optimizasyonu. Solventlerin kullanımını optimize ederek, lityum tuzlarının türü ve konsantrasyonunu düzenleyerek, organik/inorganik katkı maddeleri ekleyerek, elektrolitteki lityum iyonlarının çözülme yapısını etkili bir şekilde ayarlayabilir, lityum iyonlarının desolvasyon engelini azaltabilir ve stabil bir SEI filmi oluşturabiliriz. Ayrıca, solvent moleküllerinin birlikte interkalasyonunun grafit stabilitesi üzerindeki etkisini hafifletebiliriz.

(4) Şarj stratejisini optimize edin. Şarj protokolünü optimize ederek, şarj akımını, voltajı ve gevşeme süresini düzenleyerek, lityum dendritlerinin oluşumu olmadan şarj hızı sınırına ulaşılabilir ve döngü ömrü ile şarj hızı arasında bir denge sağlanabilir. Bu yöntemler, hızlı şarj koşulları altında grafitin kapasitesini ve stabilitesini etkili bir şekilde artırabilir ve elektrikli araçların "yakıt ikmali" şarjını gerçekleştirmek için bir referans sağlar.

Ancak, grafitin hızlı şarj tasarımı hâlâ aşağıdaki zorluklarla karşı karşıyadır:

(1) Grafitin kimyasal stabilitesi son derece güçlüdür ve yüzeyin ıslaklığı çok kötüdür. Bu nedenle, bazı basit fiziksel ve kimyasal yöntemlerle yapay SEI koruma filmleri oluşturmak zordur. Mevcut araştırmaların çoğu, ALD atomik tabaka kaplama, CVD buhar kaplama ve diğer yöntemleri kullanmayı gerektirir. Bu yöntemler, yapay SEI koruma filmleri oluşturmak için yüksek maliyet, karmaşık süreç, düşük verim ve büyük ölçekli sanayileşme için uygulanabilirlikten yoksundur. Bu nedenle, grafitin kendisinden başlayarak içsel fiziksel ve kimyasal özelliklerini değiştirmek ve böylece yapay SEI koruma filminin basit ve pratik bir şekilde inşasını sağlamak, gelecekteki araştırmaların odak noktasıdır.

(2) Gözenekler tasarlayarak ve grafit parçacıklarının morfolojisini ve yapısını azaltarak, grafitin lityum interkasyonu alanları artırılabilir, ancak aktif alanların artışı genellikle yan tepkimelerin yoğunlaşması ve ilk Coulomb verimliliğinin düşmesi ile birlikte gelir. Lityum tuzlarının fiyatı tüm zamanların en yüksek seviyesine ulaştığı göz önüne alındığında, grafitin hızlı şarj tasarımı ilk kez tersinir olmayan kapasitenin artırılması pahasına olamaz. Bu nedenle, morfoloji ve yapı düzenleme stratejisi, ek lityum tüketimini önlemek için diğer yüzey modifikasyon stratejileri ile bir arada kullanılmalıdır.

(3) Fonksiyonel katkı maddeleri kullanarak veya yeni lityum tuzları ve çözücüler geliştirerek, yüksek iyonik iletkenlik, yüksek transfer sayıları ve geniş sıcaklık aralıklarına sahip yeni elektrolitlerin elde edilmesi kritik öneme sahiptir, çünkü elektrolitler belirli pil kimyaları için iyon taşınmasını ve arayüzleri belirler. Ancak, elektrolitlerin geliştirme kılavuzları maliyet faktörünü ve çevre koruma derecesini dikkate almalıdır, aksi takdirde pratik bir anlamdan yoksun kalır.

(4) Grafit bazlı hızlı şarj tasarımlarının çoğu hâlâ buton pilleri temelinde değerlendirilmektedir. Büyük ölçekli sanayi uygulamasını acil olarak gerektiren bir teknoloji olarak, araştırmacılar bunu poşet pillerde veya silindirik pillerde değerlendirerek ticari uygulama potansiyelini doğrulamalıdır.