Vật liệu anot graphit nhanh

2025-03-26

Là vật liệu điện cực âm thương mại đầu tiên cho pin lithium-ion, than chì có ưu điểm về dung lượng cao, cấu trúc ổn định và độ dẫn điện tốt. Quan trọng hơn, nó có nguồn gốc phong phú và chi phí thấp. Hiện tại, nó vẫn là vật liệu anode chủ yếu nhất và rất khó để thay thế hoàn toàn trong thời gian ngắn. Khi pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong xe điện, khả năng sạc nhanh đã trở thành chỉ số hiệu suất quan trọng nhất của than chì. Do động lực học intercalation của lithium diễn ra chậm và tiềm năng oxi hóa khử cực thấp, dung lượng, độ ổn định và độ an toàn của than chì dưới điều kiện sạc và xả với tỉ lệ cao không thể đáp ứng nhu cầu của pin nguồn. Do đó, việc cải thiện hiệu suất sạc nhanh của than chì đã trở thành trọng tâm nghiên cứu của các học giả trong những năm gần đây.

Đối với các vấn đề của than chì trong sạc nhanh, các giải pháp hiện tại như sau.

(1) Xây dựng một màng SEI nhân tạo ổn định. Bằng cách xây dựng một màng SEI nhân tạo hữu cơ/vô cơ với cấu trúc ổn định, tiềm năng oxi hóa khử cao và độ dẫn ion tốt trên bề mặt của than chì, nó không chỉ giảm tính aniso của quá trình vận chuyển ion lithium trong than chì, mà còn cải thiện tốc độ di chuyển của các ion lithium. Giảm thiểu hiện tượng phân cực để tránh sự lắng đọng của kim loại lithium trên bề mặt của than chì trong quá trình sạc và xả với tỉ lệ cao. Ngoài ra, màng SEI nhân tạo cũng có thể hoạt động như một "sàng lọc phân loại" cho các ion lithium và phân tử dung môi, tránh việc làm hỏng cấu trúc của than chì do sự đồng chèn của các phân tử dung môi.

(2) Hình thái học và thiết kế cấu trúc. Bằng cách sửa đổi hình thái và cấu trúc của graphit (như thiết kế cấu trúc lỗ), số lượng vị trí hoạt động cho sự intercalation ở cạnh của graphit có thể được tăng cường, và khả năng di chuyển của các ion lithium trong graphit có thể được cải thiện.

(3) Tối ưu hóa điện phân. Bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng dung môi, điều chỉnh loại và nồng độ của các muối lithium, và thêm các phụ gia hữu cơ/vô cơ, cấu trúc solvation của các ion lithium trong điện phân có thể được điều chỉnh hiệu quả, rào cản desolvation của các ion lithium có thể được giảm, và một lớp màng SEI ổn định có thể được hình thành. Cũng như giảm thiểu tác động của sự co-intercalation của phân tử dung môi đến độ ổn định của graphit.

(4) Tối ưu hóa chiến lược sạc. Bằng cách tối ưu hóa giao thức sạc, điều chỉnh dòng sạc, điện áp và thời gian nghỉ, giới hạn tốc độ sạc có thể đạt được mà không hình thành dendrite lithium, và cân bằng giữa tuổi thọ chu kỳ và tốc độ sạc có thể được thực hiện. Những phương pháp này có thể cải thiện hiệu quả và độ ổn định của graphit dưới điều kiện sạc nhanh, và cung cấp một tham khảo cho việc hiện thực hóa sạc "tiếp nhiên liệu" của xe điện.

Tuy nhiên, thiết kế sạc nhanh cho graphit vẫn gặp phải các thách thức sau:

(1) Sự ổn định hóa học của graphit là rất mạnh, và độ ướt của bề mặt rất kém. Do đó, khó khăn trong việc xây dựng các lớp màng bảo vệ SEI nhân tạo bằng một số phương pháp vật lý và hóa học đơn giản. Hầu hết các nghiên cứu hiện tại cần phải sử dụng ALD (lớp nguyên tử lắng đọng), CVD (lắng đọng hơi) và các phương pháp khác. Những phương pháp này để xây dựng các lớp màng bảo vệ SEI nhân tạo có chi phí cao, quy trình cồng kềnh, hiệu suất thấp và không có tính khả thi cho việc công nghiệp hóa quy mô lớn. Do đó, cách để bắt đầu từ chính graphit và thay đổi các thuộc tính vật lý và hóa học nội tại của nó, nhằm hiện thực hóa việc xây dựng lớp màng bảo vệ SEI nhân tạo một cách đơn giản và thuận tiện, là trọng tâm của nghiên cứu trong tương lai.

(2) Bằng cách thiết kế lỗ và giảm hình thái cũng như cấu trúc của các hạt graphit, mặc dù các vị trí intercalation lithium của graphit có thể được tăng cường, việc tăng cường các vị trí hoạt động thường đi kèm với sự gia tăng phản ứng phụ và giảm hiệu suất Coulombic đầu tiên. Xét rằng giá của muối lithium đã đạt mức cao nhất mọi thời đại, thiết kế sạc nhanh cho graphit không thể diễn ra với chi phí gia tăng dung lượng không thể đảo ngược lần đầu tiên. Do đó, chiến lược điều chỉnh hình thái và cấu trúc phải được sử dụng kết hợp với các chiến lược cải tiến bề mặt khác để tránh tiêu thụ lithium bổ sung.

(3) Bằng cách sử dụng các phụ gia chức năng hoặc phát triển các muối lithium và dung môi mới, việc có được các điện phân mới có độ dẫn ion cao, số chuyển giao cao và phạm vi nhiệt độ rộng là rất quan trọng, vì điện phân xác định sự vận chuyển ion và các bề mặt cho các hóa học pin cụ thể. Tuy nhiên, các hướng dẫn phát triển của điện phân phải xem xét yếu tố chi phí và mức độ bảo vệ môi trường, nếu không sẽ thiếu ý nghĩa thực tiễn.

(4) Hầu hết các thiết kế sạc nhanh dựa trên than chì vẫn đang được đánh giá dựa trên pin nút. Là một công nghệ cần thiết phải ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, các nhà nghiên cứu nên đánh giá nó trong các tế bào pouch hoặc tế bào hình trụ để xác nhận tiềm năng ứng dụng thương mại của nó.