Modificación de la superficie de materiales de ánodo de grafito.
El grafito es el primer material de electrodo negativo para baterías de iones de litio que se aplica comercialmente. Después de tres décadas de desarrollo, el grafito sigue siendo el material de electrodo negativo más fiable y utilizado.
El grafito tiene una buena estructura en capas, con átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal y que se extienden en una dirección bidimensional. Como material de electrodo negativo para baterías de iones de litio, el grafito tiene una alta selectividad para los electrolitos, un rendimiento deficiente de carga y descarga de alta corriente, y durante el primer proceso de carga y descarga, los iones de litio solvatados se insertarán en las capas intermedias de grafito, se reducirán y se descompondrán para producen nuevas sustancias, provocando una expansión de volumen, lo que puede conducir directamente al colapso de la capa de grafito y deteriorar el rendimiento del ciclo del electrodo. Por tanto, es necesario modificar el grafito para mejorar su capacidad específica reversible, mejorar la calidad de la película SEI, aumentar la compatibilidad del grafito con el electrolito y mejorar su rendimiento del ciclo. En la actualidad, la modificación de la superficie de los electrodos negativos de grafito se divide principalmente en fresado mecánico de bolas, tratamiento de oxidación y halogenación de la superficie, recubrimiento de la superficie, dopaje de elementos y otros medios.
Método de molienda mecánica de bolas.
El método de molienda mecánica de bolas consiste en cambiar la estructura y morfología de la superficie del electrodo negativo de grafito por medios físicos para aumentar el área de superficie y el área de contacto, mejorando así la eficiencia de almacenamiento y liberación de iones de litio.
1. Reducir el tamaño de las partículas: el fresado mecánico de bolas puede reducir significativamente el tamaño de las partículas de grafito, de modo que el material del electrodo negativo de grafito tenga una superficie específica mayor. Un tamaño de partícula más pequeño favorece la rápida difusión de los iones de litio y mejora el rendimiento de la batería.
2. Introducir nuevas fases: Durante el proceso de molienda de bolas, las partículas de grafito pueden sufrir cambios de fase debido a fuerzas mecánicas, como la introducción de nuevas fases como las fases romboédricas.
3. Aumentar la porosidad: el fresado de bolas también producirá una gran cantidad de microporos y defectos en la superficie de las partículas de grafito. Estas estructuras de poros pueden servir como canales rápidos para los iones de litio, mejorando la tasa de difusión de los iones de litio y la eficiencia de carga y descarga de la batería.
4. Mejorar la conductividad: aunque la molienda mecánica de bolas en sí no cambia directamente la conductividad del grafito, al reducir el tamaño de las partículas e introducir una estructura de poros, el contacto entre el electrodo negativo de grafito y el electrolito puede ser más suficiente, mejorando así la conductividad y Rendimiento electroquímico de la batería.
Tratamiento de oxidación y halogenación superficial.
El tratamiento de oxidación y halogenación puede mejorar las propiedades químicas interfaciales de los materiales de electrodos negativos de grafito.
1. Oxidación superficial
La oxidación superficial generalmente incluye oxidación en fase gaseosa y oxidación en fase líquida.
2. Halogenación superficial
Mediante el tratamiento de halogenación, se forma una estructura C-F en la superficie del grafito natural, que puede mejorar la estabilidad estructural del grafito y evitar que las escamas de grafito se caigan durante el ciclo.
Revestimiento de la superficie
La modificación del revestimiento de la superficie de los materiales de electrodos negativos de grafito incluye principalmente un revestimiento de material de carbono, metálico o no metálico y su revestimiento de óxido, y un revestimiento de polímero. El propósito de mejorar la capacidad específica reversible, la eficiencia del primer culombio, el rendimiento del ciclo y el rendimiento de carga y descarga de alta corriente del electrodo se logra mediante el recubrimiento de la superficie.
1. Recubrimiento de material de carbono
Se recubre una capa de carbono amorfo sobre la capa exterior de grafito para formar un material compuesto C/C con una estructura de «núcleo-cubierta», de modo que el carbono amorfo entre en contacto con el disolvente, evite el contacto directo entre el disolvente y el grafito, y Previene la exfoliación de la capa de grafito causada por la co-incrustación de las moléculas de disolvente.
2. Metales o no metales y su recubrimiento de óxido.
El metal y su recubrimiento de óxido se logra principalmente depositando una capa de metal u óxido metálico sobre la superficie del grafito. El recubrimiento de metal puede aumentar el coeficiente de difusión de los iones de litio en el material y mejorar el rendimiento del electrodo.
El recubrimiento de óxido no metálico, como Al2O3, el Al2O3 amorfo que recubre la superficie del grafito puede mejorar la humectabilidad del electrolito, reducir la resistencia a la difusión de los iones de litio e inhibir eficazmente el crecimiento de dendritas de litio, mejorando así las propiedades electroquímicas de los materiales de grafito.
3. Recubrimiento de polímero
Los óxidos inorgánicos o los recubrimientos metálicos son quebradizos, difíciles de recubrir uniformemente y se dañan fácilmente. Los estudios han demostrado que el grafito recubierto con sales de ácidos orgánicos que contienen dobles enlaces carbono-carbono es más eficaz para mejorar el rendimiento electroquímico.