تعديل سطح مواد الأنود الجرافيت

يعد الجرافيت أول مادة قطب كهربائي سالب لبطاريات الليثيوم أيون يتم تطبيقها تجاريًا بعد ثلاثة عقود من التطوير، ولا يزال الجرافيت هو مادة القطب السالب الأكثر موثوقية والمستخدمة على نطاق واسع.

يتمتع الجرافيت ببنية طبقات جيدة، حيث يتم ترتيب ذرات الكربون في شكل سداسي وتمتد في اتجاه ثنائي الأبعاد، باعتباره مادة إلكترود سالبة لبطاريات الليثيوم أيون، يتمتع الجرافيت بانتقائية عالية للإلكتروليتات، وأداء شحن وتفريغ تيار مرتفع ضعيف. وأثناء عملية الشحن والتفريغ الأولى، سيتم إدخال أيونات الليثيوم المذابة في طبقات الجرافيت البينية، ويتم تقليلها وتحللها لإنتاج مواد جديدة، مما يتسبب في توسع الحجم، مما قد يؤدي بشكل مباشر إلى انهيار طبقة الجرافيت وتدهور أداء دورة الجرافيت. لذلك، من الضروري تعديل الجرافيت لتحسين قدرته المحددة القابلة للعكس، وتحسين جودة فيلم SEI، وزيادة توافق الجرافيت مع المنحل بالكهرباء، وتحسين أداء دورته. في الوقت الحاضر، يتم تعديل سطح أقطاب الجرافيت السالبة بشكل أساسي تنقسم إلى الطحن الكروي الميكانيكي، وأكسدة السطح ومعالجة الهالوجين، وطلاء السطح، وتطعيم العناصر وغيرها من الوسائل.

طريقة طحن الكرة الميكانيكية

تتمثل طريقة الطحن الكروي الميكانيكية في تغيير هيكل وشكل سطح القطب السالب للجرافيت بالوسائل الفيزيائية لزيادة مساحة السطح ومنطقة التلامس، وبالتالي تحسين كفاءة تخزين وإطلاق أيونات الليثيوم.

1. تقليل حجم الجسيمات: يمكن للطحن الكروي الميكانيكي أن يقلل بشكل كبير من حجم جسيمات جزيئات الجرافيت، بحيث تحتوي مادة القطب السالب للجرافيت على مساحة سطح محددة أكبر حجم الجسيمات الأصغر يفضي إلى الانتشار السريع لأيونات الليثيوم ويحسن أداء المعدل من البطارية.

2. إدخال مراحل جديدة: أثناء عملية طحن الكرة، قد تخضع جزيئات الجرافيت لتغيرات طورية بسبب القوى الميكانيكية، مثل إدخال مراحل جديدة مثل المراحل المعينية.

3. زيادة المسامية: ستنتج الطحن الكروي أيضًا عددًا كبيرًا من المسام الدقيقة والعيوب على سطح جزيئات الجرافيت، ويمكن أن تكون هياكل المسام هذه بمثابة قنوات سريعة لأيونات الليثيوم، مما يحسن معدل انتشار أيونات الليثيوم وكفاءة الشحن والتفريغ. البطارية.

4. تحسين الموصلية: على الرغم من أن الطحن الكروي الميكانيكي في حد ذاته لا يغير موصلية الجرافيت بشكل مباشر، إلا أنه من خلال تقليل حجم الجسيمات وإدخال بنية المسام، يمكن أن يكون الاتصال بين القطب السالب للجرافيت والكهارل أكثر كافية، وبالتالي تحسين الموصلية و الأداء الكهروكيميائي للبطارية.

معالجة الأكسدة والهلجنة السطحية

يمكن أن تؤدي معالجة الأكسدة والهلجنة إلى تحسين الخواص الكيميائية البينية لمواد القطب السالب من الجرافيت.

1. الأكسدة السطحية

تتضمن الأكسدة السطحية عادةً أكسدة الطور الغازي وأكسدة الطور السائل.

2. الهلجنة السطحية

من خلال معالجة الهالوجين، يتم تشكيل هيكل C-F على سطح الجرافيت الطبيعي، والذي يمكن أن يعزز الاستقرار الهيكلي للجرافيت ويمنع رقائق الجرافيت من السقوط أثناء الدورة.

طلاء السطح

يتضمن تعديل الطلاء السطحي لمواد القطب السالب من الجرافيت بشكل أساسي طلاء مادة الكربون والمعادن أو غير المعدنية وطلاء أكسيدها وطلاء البوليمر. والغرض من ذلك هو تحسين السعة المحددة القابلة للانعكاس وكفاءة الكولوم الأولى وأداء الدورة والشحن والتفريغ العالي الحالي يتم تحقيق أداء القطب من خلال طلاء السطح.

1. طلاء مادة الكربون

يتم طلاء طبقة من الكربون غير المتبلور على الطبقة الخارجية من الجرافيت لصنع مادة مركبة C/C ذات هيكل “القشرة الأساسية”، بحيث يتصل الكربون غير المتبلور بالمذيب، ويتجنب الاتصال المباشر بين المذيب والجرافيت، و يمنع تقشير طبقة الجرافيت الناتج عن التضمين المشترك لجزيئات المذيبات.

2. المعادن أو غير المعدنية وطلاءها بأكسيدها

يتم تحقيق طلاء المعدن وأكسيده بشكل أساسي عن طريق ترسيب طبقة من المعدن أو أكسيد المعدن على سطح الجرافيت. يمكن أن يؤدي طلاء المعدن إلى زيادة معامل انتشار أيونات الليثيوم في المادة وتحسين أداء معدل القطب.

طلاء أكسيد غير معدني مثل Al2O3، طلاء Al2O3 غير المتبلور لسطح الجرافيت يمكن أن يحسن قابلية بلل المنحل بالكهرباء، ويقلل من مقاومة انتشار أيونات الليثيوم، ويمنع بشكل فعال نمو تشعبات الليثيوم، وبالتالي تحسين الخواص الكهروكيميائية لمواد الجرافيت.

3. طلاء البوليمر

الأكاسيد غير العضوية أو الطلاءات المعدنية هشة، ويصعب تغطيتها بالتساوي، وسهلة التلف. وقد أظهرت الدراسات أن الجرافيت المطلي بأملاح الأحماض العضوية التي تحتوي على روابط كربون-كربون مزدوجة أكثر فعالية في تحسين الأداء الكهروكيميائي.