La modification de surface permet à l'anode en graphite de se démarquer

Le graphite a été le premier matériau d’anode commercialisé pour les batteries lithium-ion.
Le premier modèle commercial de batterie lithium-ion, développé par Sony au Japon en 1990, associait l'oxyde de lithium-cobalt au graphite. Après trente ans de développement, le graphite reste le matériau d'anode le plus fiable et le plus utilisé. La modification de surface du graphite est devenue l'axe d'amélioration principal des systèmes de batteries lithium haute sécurité.

Graphite présente une bonne structure feuilletée, avec des atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal s'étendant dans deux dimensions. La force de liaison intercouche est la force de Van der Waals, avec une distance intercouche de 0,3354 nm, présentant des caractéristiques anisotropes.
Le graphite, utilisé comme matériau d'anode pour les batteries lithium-ion, présente une sélectivité élevée pour les électrolytes. Cependant, ses performances en charge et décharge à courant élevé sont médiocres. Lors du premier cycle de charge et de décharge, des ions lithium solvatés s'insèrent entre les couches de graphite. Ces ions se réduisent et se décomposent pour produire de nouvelles substances, provoquant une expansion volumique. Ceci peut entraîner l'effondrement des couches de graphite, dégradant ainsi les performances de cyclage de l'électrode.
Par conséquent, une modification du graphite est nécessaire pour améliorer sa capacité réversible.
Il améliore également la qualité du film SEI, augmente la compatibilité avec les électrolytes et améliore les performances de cyclisme.

Actuellement, les méthodes de modification de surface des anodes en graphite comprennent principalement le broyage mécanique à billes, l'oxydation et l'halogénation de surface, le revêtement de surface et le dopage des éléments.

Broyage mécanique à boulets

La méthode de broyage mécanique à billes modifie la structure et la morphologie de la surface de l'anode en graphite par des moyens physiques. Cela augmente la surface et la zone de contact, améliorant ainsi le stockage et la libération des ions lithium.

• Réduction de la taille des particules : Le broyage mécanique à boulets peut réduire considérablement la taille des particules de graphite, conférant au matériau d'anode en graphite une surface spécifique plus grande.
  Des particules de plus petite taille facilitent la diffusion rapide des ions lithium, améliorant ainsi les performances de la batterie.
• Présentation de nouvelles phases : Lors du broyage à boulets, les particules de graphite peuvent subir des transitions de phase dues à des forces mécaniques, comme l'introduction d'une nouvelle phase rhomboïdale.
  La présence de ces nouvelles phases offre davantage de sites de stockage de lithium, améliorant ainsi la capacité de stockage de lithium du graphite.
• Augmentation de la porosité : Le broyage à billes crée également de nombreux micropores et défauts à la surface des particules de graphite. Ces structures poreuses agissent comme des canaux rapides pour les ions lithium, améliorant leur vitesse de diffusion et l'efficacité de charge et de décharge de la batterie.
• Amélioration de la conductivité : Le broyage mécanique à boulets ne modifie pas directement la conductivité du graphite.
  Il réduit la taille des particules et introduit de la porosité.
  Cela permet un meilleur contact entre l’anode en graphite et l’électrolyte.
  En conséquence, la conductivité et les performances électrochimiques de la batterie s’améliorent.

Traitement d'oxydation et d'halogénation de surface

Les traitements d’oxydation et d’halogénation peuvent améliorer les propriétés chimiques interfaciales des matériaux d’anode en graphite.

Oxydation de surface

L'oxydation de surface comprend généralement l'oxydation en phase gazeuse et l'oxydation en phase liquide.

L'oxydation en phase gazeuse utilise principalement l'air, l'O₂, l'O₃, le CO₂, le C₂H₂ et d'autres gaz comme oxydants. Ces gaz réagissent avec le graphite lors d'une réaction d'interface gaz-solide, réduisant ainsi les sites actifs à la surface du graphite. Cela réduit la perte de capacité irréversible au premier cycle.
Parallèlement, il génère davantage de micropores et de nanocanaux, augmentant ainsi l'espace de stockage des ions lithium. Cela contribue à améliorer la capacité réversible et les performances de l'anode en graphite.

L'oxydation en phase liquide utilise principalement des solutions d'oxydants chimiques puissants comme HNO3, H2SO4 et H2O2 pour réagir avec le graphite. Cela améliore ses performances électrochimiques.
Cependant, un contrôle inadéquat de la solution peut entraîner l'effondrement des couches de graphite. Il est donc important de se demander si les impuretés introduites pourraient nuire aux performances de l'électrode. De plus, la réaction produit des gaz ou des solutions nocifs pour l'environnement, les instruments et les équipements.

Halogénation de surface

Grâce à l'halogénation, des structures CF se forment à la surface du graphite naturel, améliorant ainsi sa stabilité structurelle. Cela empêche la perte de couche de graphite pendant le cyclage. L'halogénation du graphite naturel réduit également la résistance interne, augmente la capacité et améliore les performances de charge-décharge.
Des études montrent que l'effet de modification dépend fortement du type de graphite utilisé. La simple oxydation ou halogénation du graphite n'offre qu'une amélioration limitée des performances électrochimiques et ne répond pas aux exigences pratiques. C'est pourquoi les chercheurs associent l'oxydation ou l'halogénation à un revêtement pour améliorer les performances électrochimiques du graphite et obtenir de meilleurs résultats.

Revêtement de surface

La modification du revêtement de surface des matériaux d'anode en graphite comprend des revêtements en carbone, en métal ou non métallique, en oxyde et en polymère.
Le revêtement de surface améliore la capacité réversible, l'efficacité coulombienne du premier cycle, les performances du cycle et les performances de charge-décharge à courant élevé.

dopage élémentaire

Le dopage élémentaire consiste à incorporer ou à charger intentionnellement certains métaux ou non-métaux dans des matériaux en graphite. Cela modifie la microstructure du matériau, améliorant ainsi la capacité d'insertion/extraction de lithium de l'anode en graphite.
Par conséquent, il améliore la capacité de stockage du lithium et la stabilité du cyclage du graphite. Les éléments non métalliques dopés dans les matériaux en graphite comprennent principalement B, N, Si, P, S, etc. Les éléments métalliques comprennent Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Ag, etc. Divers dopages composés sont également en cours de développement.

Conclusion

La technologie de modification de surface améliore l'efficacité du stockage et de la libération des ions lithium en modifiant la structure de surface, la morphologie et les propriétés chimiques de l'anode en graphite.
Le développement de cette technologie permet d’améliorer la densité énergétique, de prolonger la durée de vie du cycle et d’améliorer les performances de sécurité des batteries lithium-ion.

EPIC broyage à boulets et les équipements de classification peuvent également vous fournir des solutions exclusives pour la modification de surface du graphite, vous aidant à résoudre rapidement les problèmes.