Conocimiento básico de materiales de electrodo negativos: materiales de grafito

Conocimiento básico de materiales de electrodo negativos: materiales de grafito
El grafito es uno de los primeros materiales de electrodo negativos de carbono utilizados en las baterías de iones de litio. Tiene buena conductividad, alta cristalinidad y una buena estructura en capas. Es muy adecuado para la inserción/extracción de iones de litio para formar compuestos entre capas de litio. La capacidad específica de carga de carga puede alcanzar más de 300 mA H/G, la eficiencia de descarga de carga es más del 90%y la capacidad irreversible es inferior a 50 mA • H/G. La reacción de extracción de litio en grafito ocurre a aproximadamente 0 ~ 0.25V (vs. Li+/Li). Tiene una buena plataforma potencial de carga de carga y puede coincidir con muchos materiales de electrodos positivos, incluido LIMN2O4. El voltaje de salida promedio de la batería es alto. Actualmente es el material de electrodo negativo más utilizado para baterías de iones de litio. El grafito pertenece al sistema de cristal hexagonal. Sus cristales están compuestos de planos de malla hexagonal compuestos de átomos de carbono y se apilan regularmente. Tiene una estructura en capas.
En cada capa, los átomos de carbono se organizan en un hexágono, y cada átomo de carbono se une covalentemente a tres átomos de carbono adyacentes con un orbital híbrido SP2, y los electrones en la forma orbital restante de enlaces delocalizados. Actualmente, los materiales de carbono a base de grafito en el mercado incluyen principalmente las siguientes categorías: microperlas de carbono de mesofase altamente grafitizadas (MCMB), fibras grafitizadas, grafito artificial y grafito natural.

MCMB tiene una forma general esférica, una alta densidad de apilamiento, una estructura de apilamiento de capa altamente ordenada y una capacidad de incrustación de litio relativamente grande por unidad de volumen. Primero fue desarrollado y producido por Osaka Gas Company de Japón y se utiliza como un material de electrodo negativo para las baterías de iones de litio. MCMB tiene una superficie lisa y una pequeña superficie específica, que puede reducir la aparición de reacciones límite de electrodos durante la carga y descarga, reduciendo así la pérdida de capacidad durante el primer proceso de carga; Además, la bola pequeña tiene una estructura laminar, que conduce a la incrustación y la eliminación de iones de litio desde todas las direcciones de la pelota, reduciendo la hinchazón y el colapso de las láminas de grafito causadas por la anisotropía excesiva de materiales de grafito, y por lo tanto tiene una cierta capacidad de carga y descarga de corriente rápida y alta. MCMB altamente grafitizado se obtiene sometiendo la materia orgánica de la tapa de alquitrán de carbón a la policondensación térmica para obtener bolas de carbono mesofase, que luego se purifican por extracción con solventes y otros métodos y luego tratadas con calor. Como material de electrodo negativo para baterías de iones de litio, MCMB tiene una gran influencia en su rendimiento de inserción de litio debido a la temperatura y el tiempo del tratamiento térmico. MCMB es uno de los principales materiales de electrodo negativos que se utilizan actualmente en pequeñas baterías de iones de litio y baterías eléctricas, pero sus principales problemas son de baja capacidad específica y alto precio.

Además de MCMB, hay otras formas de grafito artificial hechos de carbono grafitizable. La fibra de grafito depositada por vapor es un material de fibra grafitizada con una estructura hueca tubular. Como material de electrodo negativo para baterías de iones de litio, tiene una capacidad específica de descarga de más de 320 mM-H/G y una eficiencia de carga y descarga inicial del 93%. En comparación con otros materiales de electrodos negativos de carbono o grafito, las baterías de iones de litio que utilizan fibra de grafito depositada por vapor como electrodo negativo tienen un rendimiento de descarga de corriente grande y un rendimiento de descarga de baja temperatura, y una vida útil del ciclo más larga. Sin embargo, debido al complejo proceso de preparación de materiales de fibra de grafito depositados en fase gaseosa y alto costo de material, su aplicación a gran escala en baterías de iones de litio está sujeta a ciertas restricciones. El grafito artificial preparado por dopaje, ajuste estructural o modificación de la superficie de carbono fácilmente grafitizado, como Coca-Cola de petróleo y el tratamiento de grafitización de alta temperatura, tiene un buen rendimiento del ciclo y un precio inferior a MCMB. Actualmente, Japón y otros países han comenzado la producción y uso reales. También hay muchas desventajas del grafito como electrodo negativo, como: la película SEI se forma durante el ciclo de carga y descarga, lo que provoca la expansión de la matriz y la pérdida de capacidad, al tiempo que hace que la capa de grafito se despegue y reduzca la vida; El material de grafito tiene una mala compatibilidad con el solvente de PC; Li* solo se puede incrustar y extraer del límite de escamas, y debido al pequeño área de reacción de incrustación/extracción y una larga ruta de difusión, no es adecuado para la carga y descarga de corriente grande; La temperatura del tratamiento térmico de grafito generalmente debe estar por encima de 2000 ° C, lo que aumenta el costo de producción; Cuando el potencial alcanza 0 V o más bajo, el litio metálico se puede depositar en el electrodo de grafito. Debido a las desventajas anteriores del grafito no modificado, el grafito modificado se usa ampliamente en la práctica. Entre ellos, el recubrimiento superficial, la modificación química y la esferoidización son los principales métodos de tratamiento en la actualidad. El recubrimiento superficial incluye recubrimiento orgánico y recubrimiento inorgánico, y la modificación química incluye principalmente oxidación, reducción y modificación química de superficie.