يسمح تعديل السطح لأنود الجرافيت بالظهور

كان الجرافيت أول مادة أنود يتم تسويقها تجارياً لبطاريات الليثيوم أيون.
أول نموذج تجاري لبطارية ليثيوم أيون، طورته شركة سوني في اليابان عام ١٩٩٠، يجمع بين أكسيد الليثيوم والكوبالت والجرافيت. بعد ثلاثين عامًا من التطوير، لا يزال الجرافيت مادة الأنود الأكثر موثوقيةً واستخدامًا. أصبح تعديل سطح الجرافيت محور تحسين أنظمة بطاريات الليثيوم عالية الأمان.

الجرافيت يتميز ببنية طبقية جيدة، حيث تترتب ذرات الكربون في نمط سداسي ممتد في بُعدين. قوة الترابط بين الطبقات هي قوة فان دير فالس، بمسافة بين الطبقات تبلغ 0.3354 نانومتر، مما يُظهر خصائص متباينة الخواص.
يتميز الجرافيت، باعتباره مادة أنود لبطاريات أيونات الليثيوم، بانتقائية عالية للإلكتروليتات. ومع ذلك، فإن أداءه في الشحن والتفريغ عالي التيار ضعيف. خلال دورة الشحن والتفريغ الأولى، تتداخل أيونات الليثيوم المذابة بين طبقات الجرافيت. تتقلص هذه الأيونات وتتحلل لإنتاج مواد جديدة، مما يؤدي إلى تمدد الحجم. قد يؤدي هذا مباشرةً إلى انهيار طبقات الجرافيت، مما يُضعف أداء دورة القطب.
ومن ثم، فإن تعديل الجرافيت ضروري لتحسين قدرته العكسية.
كما أنه يعزز جودة فيلم SEI، ويزيد من التوافق مع الإلكتروليتات، ويحسن أداء الدورة.

حاليًا، تشمل طرق تعديل السطح لأنودات الجرافيت بشكل أساسي الطحن الكروي الميكانيكي، وأكسدة السطح والهالجنة، وطلاء السطح، وتنشيط العناصر.

طحن الكرات الميكانيكية

تُغيّر طريقة الطحن الكروي الميكانيكي بنية وشكل سطح أنود الجرافيت بطرق فيزيائية. هذا يزيد من مساحة السطح ومساحة التلامس، مما يُحسّن كفاءة تخزين أيونات الليثيوم وإطلاقها.

• تقليل حجم الجسيمات: يمكن أن تعمل عملية الطحن الكروي الميكانيكية على تقليل حجم جزيئات الجرافيت بشكل كبير، مما يمنح مادة أنود الجرافيت مساحة سطح محددة أكبر.
  تساعد أحجام الجسيمات الأصغر على الانتشار السريع لأيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى تحسين أداء معدل البطارية.
• تقديم مراحل جديدة: أثناء عملية طحن الكرات، قد تخضع جسيمات الجرافيت لانتقالات طورية نتيجةً للقوى الميكانيكية. مثل إدخال طور جديد متساوٍ على شكل معين.
  يؤدي وجود هذه المراحل الجديدة إلى توفير المزيد من مواقع تخزين الليثيوم، مما يعزز قدرة تخزين الليثيوم في الجرافيت.
• زيادة المسامية: يُنتج طحن الكرات أيضًا العديد من المسام الدقيقة والعيوب على سطح جسيمات الجرافيت. تعمل هذه الهياكل المسامية كقنوات سريعة لأيونات الليثيوم، مما يُحسّن معدل انتشارها وكفاءة شحن وتفريغ البطارية.
• تحسين الموصلية: لا تؤدي عملية الطحن الكروي الميكانيكية إلى تغيير موصلية الجرافيت بشكل مباشر.
  يقلل من حجم الجسيمات ويضيف المسامية.
  يتيح هذا اتصالاً أفضل بين أنود الجرافيت والإلكتروليت.
  ونتيجة لذلك، تتحسن الموصلية والأداء الكهروكيميائي للبطارية.

معالجة الأكسدة السطحية والهالجنة

يمكن أن تعمل معالجات الأكسدة والهالجنة على تحسين الخصائص الكيميائية للواجهة بين مواد أنود الجرافيت.

أكسدة السطح

تتضمن أكسدة السطح عادةً أكسدة الطور الغازي وأكسدة الطور السائل.

تعتمد أكسدة الطور الغازي بشكل رئيسي على الهواء، والأكسجين، والأكسجين، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروجين، وغازات أخرى كمؤكسدات. تتفاعل هذه الغازات مع الجرافيت في تفاعل بين الغاز والصلبة، مما يُقلل من المواقع النشطة على سطح الجرافيت. وهذا يُقلل من فقدان السعة غير القابل للعكس في الدورة الأولى.
في الوقت نفسه، يُنتج المزيد من المسام الدقيقة والقنوات النانوية، مما يزيد من مساحة تخزين أيونات الليثيوم. هذا يُحسّن السعة العكسية ويُحسّن أداء أنود الجرافيت.

تعتمد أكسدة الطور السائل بشكل رئيسي على محاليل مؤكسدات كيميائية قوية، مثل HNO3 وH2SO4 وH2O2، للتفاعل مع الجرافيت. وهذا يُحسّن أدائه الكهروكيميائي.
مع ذلك، قد يؤدي سوء التحكم في المحلول إلى انهيار طبقات الجرافيت. لذلك، من المهم مراعاة ما إذا كانت الشوائب المضافة قد تؤثر سلبًا على أداء الأقطاب الكهربائية. إضافةً إلى ذلك، يُنتج التفاعل غازات أو محاليل ضارة بالبيئة والأجهزة والمعدات.

الهالوجين السطحي

من خلال عملية الهلجنة، تتشكل هياكل CF على سطح الجرافيت الطبيعي، مما يعزز استقراره الهيكلي. هذا يمنع تساقط طبقة الجرافيت أثناء الدورة. كما أن عملية الهلجنة للجرافيت الطبيعي تقلل المقاومة الداخلية، وتزيد السعة، وتُحسّن أداء الشحن والتفريغ.
تشير الدراسات إلى أن تأثير التعديل يعتمد بشكل كبير على نوع الجرافيت المستخدم. فالأكسدة أو الهالوجينية للجرافيت تُحسّن الأداء الكهروكيميائي بشكل محدود، ولا تُلبي المتطلبات العملية. لذلك، يجمع الباحثون بين الأكسدة أو الهالوجينية والطلاء لتحسين الأداء الكهروكيميائي للجرافيت، محققين نتائج أفضل.

طلاء السطح

تتضمن تعديلات طلاء السطح لمواد أنود الجرافيت طلاء الكربون أو المعدن أو غير المعدني أو الأكسيد أو البوليمر.
يعمل طلاء السطح على تحسين السعة العكسية وكفاءة كولومبيك في الدورة الأولى وأداء الدورة وأداء الشحن والتفريغ عالي التيار.

تشويب العناصر

يشير تطعيم العناصر إلى إدخال أو تحميل معادن أو لا فلزات معينة عمدًا في مواد الجرافيت. يؤدي هذا إلى تغيير البنية الدقيقة للمادة، مما يعزز قدرة قطب الجرافيت الموجب على إدخال/استخراج الليثيوم.
نتيجةً لذلك، يُحسّن هذا من سعة تخزين الليثيوم واستقرار دورة الجرافيت. تشمل العناصر غير المعدنية المُشَبَّبة في مواد الجرافيت بشكل رئيسي البورون، والنيتروجين، والسيليكون، والفوسفور، والكبريت، وغيرها. تشمل العناصر المعدنية الحديد، والكوبالت، والنيكل، والنحاس، والزنك، والقصدير، والفضة، وغيرها، كما يجري تطوير أنواع مُشَبَّبة مُختلفة من المركبات.

خاتمة

تعمل تقنية تعديل السطح على تحسين كفاءة تخزين أيونات الليثيوم وإطلاقها عن طريق تغيير بنية السطح والشكل والخصائص الكيميائية لأنود الجرافيت.
يساعد تطوير هذه التقنية على تعزيز كثافة الطاقة وإطالة عمر الدورة وتحسين الأداء الأمني لبطاريات الليثيوم أيون.

ملحمة طحن الكرات ويمكن أن توفر لك معدات التصنيف أيضًا حلولاً حصرية لتعديل سطح الجرافيت، مما يساعدك على حل المشكلات بسرعة.