Sửa đổi bề mặt cho phép anode than chì nổi bật

Than chì là vật liệu anot thương mại đầu tiên cho pin lithium-ion.
Mẫu pin lithium-ion thương mại đầu tiên, được Sony tại Nhật Bản phát triển vào năm 1990, kết hợp lithium coban oxide với graphite. Sau ba mươi năm phát triển, graphite vẫn là vật liệu anode đáng tin cậy và được sử dụng rộng rãi nhất. Sửa đổi bề mặt graphite đã trở thành hướng cải tiến cốt lõi của hệ thống pin lithium an toàn cao.

Than chì có cấu trúc lớp tốt, với các nguyên tử cacbon được sắp xếp theo mô hình lục giác kéo dài theo hai chiều. Lực liên kết giữa các lớp là lực van der Waals, với khoảng cách giữa các lớp là 0,3354nm, thể hiện đặc tính dị hướng.
Graphite, là vật liệu anode cho pin lithium-ion, có tính chọn lọc cao đối với chất điện phân. Tuy nhiên, hiệu suất của nó trong quá trình sạc và xả dòng điện cao lại kém. Trong chu kỳ sạc và xả đầu tiên, các ion lithium hòa tan chèn vào giữa các lớp graphite. Các ion này khử và phân hủy để tạo ra các chất mới, gây ra sự giãn nở thể tích. Điều này có thể trực tiếp dẫn đến sự sụp đổ của các lớp graphite, làm giảm hiệu suất chu kỳ của điện cực.
Do đó, cần phải biến tính than chì để cải thiện khả năng thuận nghịch của nó.
Nó cũng cải thiện chất lượng của màng SEI, tăng khả năng tương thích với chất điện phân và cải thiện hiệu suất chu kỳ.

Hiện nay, các phương pháp biến tính bề mặt cho anot than chì chủ yếu bao gồm nghiền bi cơ học, oxy hóa bề mặt và halogen hóa, phủ bề mặt và pha tạp nguyên tố.

Máy nghiền bi cơ học

Phương pháp nghiền bi cơ học thay đổi cấu trúc và hình thái của bề mặt anot than chì thông qua các phương tiện vật lý. Điều này làm tăng diện tích bề mặt và diện tích tiếp xúc, do đó cải thiện hiệu quả lưu trữ và giải phóng lithium-ion.

• Giảm kích thước hạt: Quá trình nghiền bi cơ học có thể làm giảm đáng kể kích thước hạt than chì, giúp vật liệu anot than chì có diện tích bề mặt riêng lớn hơn.
  Kích thước hạt nhỏ hơn giúp các ion lithium khuếch tán nhanh hơn, cải thiện hiệu suất hoạt động của pin.
• Giới thiệu các giai đoạn mới: Trong quá trình nghiền bi, các hạt than chì có thể trải qua quá trình chuyển pha do lực cơ học. Chẳng hạn như sự xuất hiện của pha mới bằng nhau hình thoi
  Sự hiện diện của các pha mới này cung cấp nhiều vị trí lưu trữ lithium hơn, tăng cường khả năng lưu trữ lithium của than chì.
• Tăng độ xốp: Quá trình nghiền bi cũng tạo ra nhiều lỗ nhỏ và khuyết tật trên bề mặt các hạt than chì. Các cấu trúc xốp này hoạt động như các kênh nhanh cho các ion lithium, cải thiện tốc độ khuếch tán của chúng và hiệu quả sạc và xả của pin.
• Cải thiện độ dẫn điện: Quá trình nghiền bi cơ học không làm thay đổi trực tiếp độ dẫn điện của than chì.
  Nó làm giảm kích thước hạt và tạo ra độ xốp.
  Điều này cho phép tiếp xúc tốt hơn giữa cực dương than chì và chất điện phân.
  Kết quả là độ dẫn điện và hiệu suất điện hóa của pin được cải thiện.

Xử lý oxy hóa bề mặt và halogen hóa

Xử lý oxy hóa và halogen hóa có thể cải thiện các tính chất hóa học giao diện của vật liệu anot than chì.

Sự oxy hóa bề mặt

Quá trình oxy hóa bề mặt thường bao gồm quá trình oxy hóa ở pha khí và quá trình oxy hóa ở pha lỏng.

Quá trình oxy hóa pha khí chủ yếu sử dụng không khí, O2, O3, CO2, C2H2 và các khí khác làm chất oxy hóa. Các khí này phản ứng với than chì trong phản ứng giao diện khí-rắn, làm giảm các vị trí hoạt động trên bề mặt than chì. Điều này làm giảm mất dung lượng không thể đảo ngược của chu kỳ đầu tiên.
Đồng thời, nó tạo ra nhiều lỗ nhỏ và kênh nano hơn, tăng không gian lưu trữ lithium-ion. Điều này giúp cải thiện khả năng đảo ngược và nâng cao hiệu suất anode graphite.

Quá trình oxy hóa pha lỏng chủ yếu sử dụng các dung dịch oxy hóa hóa học mạnh như HNO3, H2SO4 và H2O2 để phản ứng với than chì. Điều này cải thiện hiệu suất điện hóa của nó.
Tuy nhiên, việc kiểm soát dung dịch không đúng cách có thể khiến các lớp than chì bị sụp đổ. Do đó, điều quan trọng là phải xem xét liệu tạp chất được đưa vào có gây hại cho hiệu suất điện cực hay không. Ngoài ra, phản ứng tạo ra khí hoặc dung dịch có hại cho môi trường, dụng cụ và thiết bị.

Halogen hóa bề mặt

Thông qua quá trình halogen hóa, các cấu trúc CF hình thành trên bề mặt than chì tự nhiên, tăng cường độ ổn định về mặt cấu trúc của nó. Điều này ngăn chặn lớp than chì bị bong ra trong quá trình tuần hoàn. Quá trình halogen hóa than chì tự nhiên cũng làm giảm điện trở bên trong, tăng dung lượng và cải thiện hiệu suất sạc-xả.
Các nghiên cứu cho thấy hiệu ứng biến đổi phụ thuộc rất nhiều vào loại than chì được sử dụng. Chỉ cần oxy hóa hoặc halogen hóa than chì sẽ cải thiện hiệu suất điện hóa hạn chế và không đáp ứng được các yêu cầu thực tế. Do đó, các nhà nghiên cứu kết hợp quá trình oxy hóa hoặc halogen hóa với lớp phủ để tăng cường hiệu suất điện hóa của than chì, đạt được kết quả tốt hơn.

Lớp phủ bề mặt

Quá trình cải tiến lớp phủ bề mặt của vật liệu anot than chì bao gồm lớp phủ carbon, kim loại hoặc phi kim loại, oxit và polyme.
Lớp phủ bề mặt cải thiện khả năng đảo ngược, hiệu suất Coulombic chu kỳ đầu tiên, hiệu suất chu kỳ và hiệu suất sạc-xả dòng điện cao.

Doping nguyên tố

Pha tạp nguyên tố là việc cố ý kết hợp hoặc nạp một số kim loại hoặc phi kim loại nhất định vào vật liệu than chì. Điều này làm thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu, tăng cường khả năng chèn/trích xuất Li của anot than chì.
Kết quả là, nó cải thiện khả năng lưu trữ lithium và độ ổn định chu kỳ của than chì. Các nguyên tố phi kim loại được pha tạp vào vật liệu than chì chủ yếu bao gồm B, N, Si, P, S, v.v. Các nguyên tố kim loại bao gồm Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Ag, v.v., với nhiều loại pha tạp hợp chất khác nhau cũng đang được phát triển.

Phần kết luận

Công nghệ biến đổi bề mặt cải thiện hiệu quả lưu trữ và giải phóng ion lithium bằng cách thay đổi cấu trúc bề mặt, hình thái và tính chất hóa học của cực dương than chì.
Sự phát triển của công nghệ này giúp tăng cường mật độ năng lượng, kéo dài tuổi thọ và cải thiện hiệu suất an toàn của pin lithium-ion.

của EPIC nghiền bi và thiết bị phân loại cũng có thể cung cấp cho bạn các giải pháp độc quyền để cải tiến bề mặt than chì, giúp bạn giải quyết vấn đề nhanh chóng.