Modifikasi permukaan bahan anoda grafit

Grafit adalah bahan elektroda negatif pertama untuk baterai lithium-ion yang digunakan secara komersial. Setelah tiga dekade pengembangan, grafit masih menjadi bahan elektroda negatif yang paling andal dan banyak digunakan.

Grafit memiliki struktur berlapis yang baik, dengan atom karbon tersusun dalam bentuk heksagonal dan memanjang dalam arah dua dimensi. Sebagai bahan elektroda negatif untuk baterai lithium-ion, grafit memiliki selektivitas tinggi terhadap elektrolit, kinerja pengisian dan pengosongan arus tinggi yang buruk, dan selama proses pengisian dan pengosongan pertama, ion litium terlarut akan dimasukkan ke dalam lapisan grafit, direduksi dan diurai untuk menghasilkan zat baru, menyebabkan pemuaian volume, yang secara langsung dapat menyebabkan runtuhnya lapisan grafit dan menurunkan kinerja siklus grafit. Oleh karena itu, perlu dilakukan modifikasi grafit untuk meningkatkan kapasitas spesifik reversibelnya, meningkatkan kualitas film SEI, meningkatkan kompatibilitas grafit dengan elektrolit, dan meningkatkan kinerja siklusnya. Saat ini, modifikasi permukaan elektroda negatif grafit terutama dilakukan dibagi menjadi penggilingan bola mekanis, oksidasi permukaan dan perawatan halogenasi, pelapisan permukaan, doping elemen dan cara lainnya.

Metode penggilingan bola mekanis

Metode penggilingan bola mekanis adalah mengubah struktur dan morfologi permukaan elektroda negatif grafit dengan cara fisik untuk meningkatkan luas permukaan dan bidang kontak, sehingga meningkatkan efisiensi penyimpanan dan pelepasan ion litium.

1. Mengurangi ukuran partikel: Penggilingan bola mekanis dapat secara signifikan mengurangi ukuran partikel partikel grafit, sehingga bahan elektroda negatif grafit memiliki luas permukaan spesifik yang lebih besar. Ukuran partikel yang lebih kecil kondusif untuk difusi ion litium yang cepat dan meningkatkan kinerja laju baterai.

2. Perkenalkan fase baru: Selama proses ball milling, partikel grafit dapat mengalami perubahan fase karena gaya mekanik, seperti masuknya fase baru seperti fase belah ketupat.

3. Meningkatkan porositas: Penggilingan bola juga akan menghasilkan sejumlah besar mikropori dan cacat pada permukaan partikel grafit.Struktur pori ini dapat berfungsi sebagai saluran cepat untuk ion litium, meningkatkan laju difusi ion litium serta efisiensi pengisian dan pengosongan ion litium. baterai.

4. Meningkatkan konduktivitas: Meskipun penggilingan bola mekanis itu sendiri tidak secara langsung mengubah konduktivitas grafit, dengan mengurangi ukuran partikel dan memperkenalkan struktur pori, kontak antara elektroda negatif grafit dan elektrolit dapat lebih mencukupi, sehingga meningkatkan konduktivitas dan kinerja elektrokimia baterai.

Oksidasi permukaan dan perawatan halogenasi

Perlakuan oksidasi dan halogenasi dapat meningkatkan sifat kimia antarmuka bahan elektroda negatif grafit.

1. Oksidasi permukaan

Oksidasi permukaan biasanya meliputi oksidasi fasa gas dan oksidasi fasa cair.

2. Halogenasi permukaan

Melalui perlakuan halogenasi, struktur CF terbentuk pada permukaan grafit alam, yang dapat meningkatkan stabilitas struktur grafit dan mencegah serpihan grafit jatuh selama siklus.

Lapisan permukaan

Modifikasi pelapisan permukaan bahan elektroda negatif grafit terutama mencakup pelapisan bahan karbon, logam atau non-logam dan lapisan oksidanya, dan pelapisan polimer yang bertujuan untuk meningkatkan kapasitas spesifik reversibel, efisiensi coulomb pertama, kinerja siklus, dan pengisian dan pengosongan arus tinggi kinerja elektroda dicapai melalui pelapisan permukaan.

1. Lapisan bahan karbon

Lapisan karbon amorf dilapisi pada lapisan luar grafit untuk membuat material komposit C/C dengan struktur “cangkang inti”, sehingga karbon amorf bersentuhan dengan pelarut, menghindari kontak langsung antara pelarut dan grafit, dan mencegah pengelupasan lapisan grafit yang disebabkan oleh melekatnya molekul pelarut.

2. Logam atau nonlogam dan lapisan oksidanya

Logam dan pelapisan oksidanya terutama dicapai dengan mendeposisikan lapisan logam atau oksida logam pada permukaan grafit. Pelapisan logam dapat meningkatkan koefisien difusi ion litium dalam material dan meningkatkan kinerja laju elektroda.

Lapisan oksida non-logam seperti Al2O3, lapisan Al2O3 amorf pada permukaan grafit dapat meningkatkan keterbasahan elektrolit, mengurangi ketahanan difusi ion litium, dan secara efektif menghambat pertumbuhan dendrit litium, sehingga meningkatkan sifat elektrokimia bahan grafit.

3. Lapisan polimer

Oksida anorganik atau pelapis logam bersifat rapuh, sulit untuk dilapisi secara merata, dan mudah rusak. Penelitian menunjukkan bahwa grafit yang dilapisi dengan garam asam organik yang mengandung ikatan rangkap karbon-karbon lebih efektif dalam meningkatkan kinerja elektrokimia.