اصلاح سطح مواد آند گرافیت

گرافیت اولین ماده الکترود منفی برای باتری های لیتیوم یونی است که به صورت تجاری استفاده می شود. پس از سه دهه توسعه، گرافیت هنوز قابل اعتمادترین و پرکاربردترین ماده الکترود منفی است.

گرافیت ساختار لایه ای خوبی دارد، با اتم های کربن که به شکل شش ضلعی چیده شده اند و در جهت دوبعدی امتداد یافته اند. گرافیت به عنوان یک ماده الکترود منفی برای باتری‌های لیتیوم یونی دارای گزینش پذیری بالایی برای الکترولیت‌ها، عملکرد ضعیف شارژ و تخلیه جریان بالا است و در طول اولین فرآیند شارژ و دشارژ، یون‌های لیتیوم حل‌شده به لایه‌های گرافیت وارد شده، کاهش یافته و تجزیه می‌شوند. مواد جدیدی تولید می کند که باعث انبساط حجمی می شود که می تواند مستقیماً منجر به فروپاشی لایه گرافیت شود و عملکرد چرخه الکترود را بدتر کند. بنابراین، اصلاح گرافیت برای بهبود ظرفیت ویژه برگشت پذیر، بهبود کیفیت فیلم SEI، افزایش سازگاری گرافیت با الکترولیت و بهبود عملکرد چرخه آن ضروری است. در حال حاضر، اصلاح سطح الکترودهای منفی گرافیت به طور عمده به آسیاب توپ مکانیکی، اکسیداسیون سطح و درمان هالوژناسیون، پوشش سطح، دوپینگ عنصر و وسایل دیگر تقسیم می شود.

روش آسیاب توپ مکانیکی

روش آسیاب توپ مکانیکی تغییر ساختار و مورفولوژی سطح الکترود منفی گرافیت با ابزارهای فیزیکی برای افزایش سطح و سطح تماس است و در نتیجه ذخیره سازی و راندمان آزادسازی یون های لیتیوم را بهبود می بخشد.

1. کاهش اندازه ذرات: آسیاب مکانیکی توپ می تواند اندازه ذرات ذرات گرافیت را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، به طوری که ماده الکترود منفی گرافیت دارای سطح ویژه بزرگ تری باشد. اندازه ذرات کوچکتر به انتشار سریع یون های لیتیوم کمک می کند و عملکرد سرعت باتری را بهبود می بخشد.

2. معرفی فازهای جدید: در طی فرآیند آسیاب گلوله ای، ذرات گرافیت ممکن است در اثر نیروهای مکانیکی دچار تغییرات فاز شوند، مانند معرفی فازهای جدید مانند فازهای لوزی.

3. افزایش تخلخل: آسیاب گلوله ای همچنین تعداد زیادی ریز منافذ و نقص در سطح ذرات گرافیت ایجاد می کند. این ساختارهای منفذی می توانند به عنوان کانال های سریع برای یون های لیتیوم عمل کنند و سرعت انتشار یون های لیتیوم و راندمان شارژ و دشارژ باتری را بهبود بخشند.

4. بهبود رسانایی: اگرچه آسیاب مکانیکی توپی خود مستقیماً رسانایی گرافیت را تغییر نمی دهد، با کاهش اندازه ذرات و ایجاد یک ساختار منفذی، تماس بین الکترود منفی گرافیت و الکترولیت می تواند کافی باشد و در نتیجه رسانایی و رسانایی را بهبود می بخشد. عملکرد الکتروشیمیایی باتری

عملیات اکسیداسیون و هالوژناسیون سطحی

عملیات اکسیداسیون و هالوژناسیون می تواند خواص شیمیایی سطحی مواد الکترود منفی گرافیت را بهبود بخشد.

1. اکسیداسیون سطحی

اکسیداسیون سطحی معمولاً شامل اکسیداسیون فاز گاز و اکسیداسیون فاز مایع است.

2. هالوژناسیون سطح

از طریق عملیات هالوژناسیون، یک ساختار C-F بر روی سطح گرافیت طبیعی تشکیل می‌شود که می‌تواند پایداری ساختاری گرافیت را افزایش داده و از ریزش دانه‌های گرافیت در طول چرخه جلوگیری کند.

پوشش سطح

اصلاح پوشش سطحی مواد الکترود منفی گرافیت عمدتاً شامل پوشش مواد کربنی، فلز یا غیرفلز و پوشش اکسیدی آن و پوشش پلیمری است. هدف از بهبود ظرفیت ویژه برگشت پذیر، راندمان کولن اول، عملکرد سیکل و عملکرد شارژ و دشارژ جریان بالای الکترود از طریق پوشش سطحی حاصل می شود.

1. پوشش مواد کربنی

لایه ای از کربن آمورف بر روی لایه بیرونی گرافیت پوشانده می شود تا یک ماده کامپوزیت C/C با ساختار “هسته-پوسته” ایجاد شود، به طوری که کربن آمورف با حلال تماس پیدا می کند، از تماس مستقیم بین حلال و گرافیت جلوگیری می کند. از لایه برداری لایه گرافیت ناشی از جاسازی همزمان مولکول های حلال جلوگیری می کند.

2. فلز یا غیر فلز و پوشش اکسیدی آنها

فلز و پوشش اکسیدی آن عمدتاً با قرار دادن لایه ای از فلز یا اکسید فلز بر روی سطح گرافیت به دست می آید. پوشش فلز می تواند ضریب انتشار یون های لیتیوم را در مواد افزایش دهد و عملکرد سرعت الکترود را بهبود بخشد.

پوشش اکسید غیر فلزی مانند Al2O3، پوشش آمورف Al2O3 سطح گرافیت می تواند ترشوندگی الکترولیت را بهبود بخشد، مقاومت انتشار یون های لیتیوم را کاهش دهد و به طور موثر رشد دندریت های لیتیوم را مهار کند و در نتیجه خواص الکتروشیمیایی مواد گرافیت را بهبود بخشد.

3. پوشش پلیمری

اکسیدهای معدنی یا پوشش های فلزی شکننده هستند، به سختی پوشش داده می شوند و به راحتی آسیب می بینند. مطالعات نشان داده اند که گرافیت پوشیده شده با نمک های اسید آلی حاوی پیوندهای دوگانه کربن-کربن در بهبود عملکرد الکتروشیمیایی موثرتر است.