Матеріал графітного анода для швидкої зарядки

2025-03-26

Як перший комерційний негативний електродний матеріал для літій-іонних акумуляторів, графіт має переваги високої ємності, стабільної структури та хорошої електропровідності. Що ще важливіше, він має широкий спектр джерел і низьку вартість. Він досі є найбільш поширеним анодним матеріалом на сьогодні, і його важко повністю замінити в короткостроковій перспективі. Оскільки літій-іонні акумулятори широко використовуються в електромобілях, здатність до швидкої зарядки стала найважливішим показником продуктивності графіту. Через повільну кінетику вставки літію та надзвичайно низький редокс-потенціал, ємність, стабільність і безпека графіту під час зарядки та розрядки з високою швидкістю не можуть задовольнити потреби силових акумуляторів. Тому модифікація графіту для покращення його продуктивності швидкої зарядки стала основною темою досліджень вчених у останні роки.

Для проблем графіту при швидкій зарядці поточні рішення такі.

(1) Конструювання стабільної штучної мембрани SEI. Створюючи органічну/неорганічну штучну плівку SEI зі стабільною структурою, високим редокс-потенціалом і хорошою іонною провідністю на поверхні графіту, можна не лише зменшити анізотропію транспорту літієвих іонів у графіті, але й покращити швидкість міграції літієвих іонів. Невелика поляризація допомагає уникнути осадження літієвого металу на поверхні графіту під час заряджання та розряджання з високою швидкістю. Крім того, штучна плівка SEI може також виконувати роль "диференційного сита" для літієвих іонів і молекул розчинника, запобігаючи пошкодженню структури графіту, викликаному спільною інтеркаляцією молекул розчинника.

(2) Морфологія та структурний дизайн. Модифікуючи морфологію та структуру графіту (наприклад, проектування структури отворів), можна збільшити кількість активних сайтів для крайової інтеркаляції графіту та покращити рухливість літієвих іонів у графіті.

(3) Оптимізація електроліту. Оптимізуючи використання розчинників, регулюючи тип і концентрацію літієвих солей та додаючи органічні/неорганічні добавки, можна ефективно налаштувати структуру солватації літієвих іонів в електроліті, зменшити бар'єр десолвації літієвих іонів і побудувати стабільну плівку SEI. А також пом'якшити вплив спільної інтеркаляції молекул розчинника на стабільність графіту.

(4) Оптимізуйте стратегію заряджання. Оптимізуючи протокол заряджання, регулюючи зарядний струм, напругу та час релаксації, можна досягти межі швидкості заряджання без утворення літієвих дендритів, а також досягти балансу між циклом життя та швидкістю заряджання. Ці методи можуть ефективно покращити ємність і стабільність графіту за умов швидкого заряджання та надати посилання для реалізації "дозаправки" заряджання електромобілів.

Однак швидке заряджання графіту все ще має такі виклики:

(1) Хімічна стабільність графіту надзвичайно висока, а зволожуваність поверхні дуже погана. Тому важко побудувати штучні захисні плівки SEI за допомогою деяких простих фізичних і хімічних методів. Більшість сучасних досліджень потребують використання ALD (атмосферного осадження атомних шарів), CVD (осадження з парової фази) та інших методів. Ці методи для побудови штучних захисних плівок SEI мають високу вартість, громіздкий процес, низьку ефективність і не мають можливості для масштабної індустріалізації. Тому, як почати з самого графіту та змінити його внутрішні фізичні та хімічні властивості, щоб реалізувати побудову штучної захисної плівки SEI простим і зручним способом, є основною метою майбутніх досліджень.

(2) Проектуючи пори та зменшуючи морфологію та структуру частинок графіту, хоча можна збільшити літієві інтеркаляційні сайти графіту, збільшення активних сайтів часто супроводжується посиленням побічних реакцій та зменшенням першої кулонівської ефективності. Враховуючи, що ціна літієвих солей досягла рекордного рівня, швидке заряджання графіту не може відбуватися за рахунок збільшення незворотної ємності вперше. Тому стратегію регулювання морфології та структури необхідно використовувати в поєднанні з іншими стратегіями модифікації поверхні, щоб уникнути додаткового споживання літію.

(3) Використовуючи функціональні добавки або розробляючи нові літієві солі та розчинники, важливо отримати нові електроліти з високою іонною провідністю, високими числами переносу та широкими температурними діапазонами, оскільки електроліти визначають транспортування іонів та інтерфейси для специфічних хімій батарей. Однак керівні принципи розробки електролітів повинні враховувати фактор вартості та ступінь екологічного захисту, інакше це буде позбавлено практичного значення.

(4) Більшість проектів швидкої зарядки на основі графіту все ще оцінюються на основі кнопкових батарей. Як технологія, яка терміново потребує широкомасштабного промислового застосування, дослідники повинні оцінити її в пакетних або циліндричних елементах, щоб перевірити її потенціал для комерційного застосування.