Yüzey modifikasyonu grafit anodun öne çıkmasını sağlar

Grafit, lityum iyon piller için ticari olarak kullanılan ilk anot malzemesiydi.
1990 yılında Japonya'da Sony tarafından geliştirilen ilk ticari lityum-iyon pil modeli, lityum kobalt oksit ile grafiti eşleştirdi. Otuz yıllık geliştirmeden sonra, grafit en güvenilir ve yaygın olarak kullanılan anot malzemesi olmaya devam ediyor. Grafit yüzey modifikasyonu, yüksek güvenlikli lityum pil sistemlerinin temel iyileştirme yönü haline geldi.

Grafit iyi katmanlı bir yapıya sahiptir, karbon atomları iki boyutta uzanan altıgen bir desende düzenlenmiştir. Katmanlar arası bağ kuvveti van der Waals kuvvetidir, katmanlar arası mesafe 0,3354 nm'dir ve anizotropik özellikler gösterir.
Lityum iyon piller için bir anot malzemesi olan grafit, elektrolitler için yüksek seçiciliğe sahiptir. Ancak, yüksek akım şarj ve deşarjdaki performansı zayıftır. İlk şarj ve deşarj döngüsü sırasında, çözünmüş lityum iyonları grafit katmanlarının arasına girer. Bu iyonlar indirgenir ve yeni maddeler üretmek için ayrışır ve hacim genişlemesine neden olur. Bu, doğrudan grafit katmanlarının çökmesine yol açabilir ve elektrodun döngü performansını kötüleştirebilir.
Bu nedenle grafitin geri dönüşüm kapasitesini artırmak için modifikasyona ihtiyaç vardır.
Ayrıca SEI filminin kalitesini artırır, elektrolitlerle uyumluluğunu artırır ve döngü performansını iyileştirir.

Günümüzde grafit anotlar için yüzey modifikasyon yöntemleri çoğunlukla mekanik bilyalı öğütme, yüzey oksidasyonu ve halojenasyon, yüzey kaplama ve element katkılamayı içermektedir.

Mekanik bilyalı öğütme

Mekanik bilyalı öğütme yöntemi, grafit anot yüzeyinin yapısını ve morfolojisini fiziksel yollarla değiştirir. Bu, yüzey alanını ve temas alanını artırarak lityum iyon depolama ve salım verimliliğini iyileştirir.

• Parçacık boyutunun küçültülmesi: Mekanik bilyalı öğütme, grafitin parçacık boyutunu önemli ölçüde azaltarak grafit anot malzemesine daha büyük bir özgül yüzey alanı kazandırabilir.
  Daha küçük parçacık boyutları lityum iyonlarının hızlı difüzyonunu kolaylaştırarak pilin hız performansını iyileştirir.
• Yeni aşamaların tanıtımı: Bilyalı öğütme işlemi sırasında, grafit parçacıkları mekanik kuvvetler nedeniyle faz geçişlerine uğrayabilir. Örneğin, eşkenar dörtgen eşit yeni fazın tanıtılması
  Bu yeni fazların varlığı daha fazla lityum depolama sahası sağlayarak grafitin lityum depolama kapasitesini artırıyor.
• Artan gözeneklilik: Bilyalı öğütme ayrıca grafit parçacıklarının yüzeyinde çok sayıda mikro gözenek ve kusur oluşturur. Bu gözenekli yapılar lityum iyonları için hızlı kanallar görevi görerek difüzyon oranlarını ve pilin şarj ve deşarj verimliliğini artırır.
• İletkenliğin iyileştirilmesi: Mekanik bilyalı öğütme grafitin iletkenliğini doğrudan değiştirmez.
  Parçacık boyutunu küçültür ve gözeneklilik oluşturur.
  Bu, grafit anot ile elektrolit arasında daha iyi bir temas sağlar.
  Bunun sonucunda pilin iletkenliği ve elektrokimyasal performansı iyileşiyor.

Yüzey oksidasyonu ve halojenasyon işlemi

Oksidasyon ve halojenasyon işlemleri grafit anot malzemelerinin arayüz kimyasal özelliklerini iyileştirebilir.

Yüzey oksidasyonu

Yüzey oksidasyonu genellikle gaz fazı oksidasyonu ve sıvı fazı oksidasyonunu içerir.

Gaz fazı oksidasyonu çoğunlukla hava, O2, O3, CO2, C2H2 ve diğer gazları oksidan olarak kullanır. Bu gazlar grafit ile gaz-katı arayüz reaksiyonunda reaksiyona girerek grafit yüzeyindeki aktif bölgeleri azaltır. Bu, ilk çevrim geri döndürülemez kapasite kaybını azaltır.
Aynı zamanda daha fazla mikro gözenek ve nano kanal oluşturarak lityum iyon depolama alanını artırır. Bu, geri dönüşümlü kapasiteyi iyileştirmeye ve grafit anot performansını artırmaya yardımcı olur.

Sıvı faz oksidasyonu, grafit ile reaksiyona girmek için esas olarak HNO3, H2SO4 ve H2O2 gibi güçlü kimyasal oksidanların çözeltilerini kullanır. Bu, elektrokimyasal performansını iyileştirir.
Ancak, çözeltinin uygunsuz bir şekilde kontrol edilmesi grafit katmanlarının çökmesine neden olabilir. Bu nedenle, eklenen safsızlıkların elektrot performansına zarar verip vermeyeceğini düşünmek önemlidir. Ek olarak, reaksiyon çevre, aletler ve ekipmanlar için zararlı gazlar veya çözeltiler üretir.

Yüzey halojenasyonu

Halojenasyon yoluyla, CF yapıları doğal grafitin yüzeyinde oluşur ve yapısal kararlılığını artırır. Bu, döngü sırasında grafit tabakasının dökülmesini önler. Doğal grafitin halojenasyonu ayrıca iç direnci azaltır, kapasiteyi artırır ve şarj-deşarj performansını iyileştirir.
Çalışmalar, modifikasyon etkisinin büyük ölçüde kullanılan grafit türüne bağlı olduğunu göstermektedir. Grafiti basitçe oksitlemek veya halojenlemek sınırlı elektrokimyasal performans iyileştirmesi sunar ve pratik gereksinimleri karşılamaz. Bu nedenle araştırmacılar, grafitin elektrokimyasal performansını artırmak için oksidasyonu veya halojenasyonu kaplamayla birleştirerek daha iyi sonuçlar elde etmektedir.

Yüzey kaplama

Grafit anot malzemelerinin yüzey kaplama modifikasyonu karbon, metal veya metal olmayan, oksit ve polimer kaplamaları içerir.
Yüzey kaplaması, geri dönüşümlü kapasiteyi, birinci çevrim Coulombic verimliliğini, çevrim performansını ve yüksek akım şarj-deşarj performansını iyileştirir.

Element doping

Element dopingi, grafit malzemelere belirli metalleri veya metal olmayanları bilerek dahil etmek veya yüklemek anlamına gelir. Bu, malzemenin mikro yapısını değiştirerek grafit anodunun Li ekleme/çıkarma kabiliyetini artırır.
Sonuç olarak, grafitin lityum depolama kapasitesi ve döngü kararlılığı iyileştirilir. Grafit malzemelere katkılanmış metal olmayan elementler çoğunlukla B, N, Si, P, S, vb. içerir. Metal elementler arasında Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Ag, vb. bulunur ve çeşitli bileşik katkıları da geliştirilmektedir.

Çözüm

Yüzey modifikasyon teknolojisi, grafit anodun yüzey yapısını, morfolojisini ve kimyasal özelliklerini değiştirerek lityum iyon depolama ve salınımının verimliliğini artırıyor.
Bu teknolojinin geliştirilmesi, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunun artırılmasına, çevrim ömrünün uzatılmasına ve güvenlik performansının iyileştirilmesine yardımcı oluyor.

EPİK'ler bilyalı değirmen ve sınıflandırma ekipmanlarımız ayrıca grafitin yüzey modifikasyonu için size özel çözümler sunarak, sorunlarınızı hızlı bir şekilde çözmenize yardımcı olabilir.