Modificação de superfície de materiais de ânodo de grafite

A grafite é o primeiro material de elétrodo negativo para baterias de iões de lítio a ser aplicado comercialmente. Após três décadas de desenvolvimento, o grafite é ainda o material de elétrodo negativo mais fiável e amplamente utilizado.

A grafite apresenta uma boa estrutura em camadas, com átomos de carbono dispostos de forma hexagonal e que se estendem numa direção bidimensional. Como material de elétrodo negativo para baterias de iões de lítio, o grafite tem uma elevada seletividade para eletrólitos, baixo desempenho de carga e descarga de alta corrente e, durante o primeiro processo de carga e descarga, os iões de lítio solvatados serão inseridos nas camadas intermédias de grafite, reduzidos e decompostos para produzem novas substâncias, provocando a expansão de volume, o que pode levar diretamente ao colapso da camada de grafite e deteriorar o desempenho do ciclo do elétrodo. Assim, é necessário modificar a grafite para melhorar a sua capacidade específica reversível, melhorar a qualidade do filme SEI, aumentar a compatibilidade da grafite com o eletrólito e melhorar o desempenho do seu ciclo. Atualmente, a modificação da superfície dos elétrodos negativos de grafite divide-se principalmente em moagem mecânica de esferas, tratamento de oxidação e halogenação de superfícies, revestimento de superfícies, dopagem de elementos e outros meios.

Método mecânico de moagem de bolas

O método mecânico de moagem de bolas consiste em alterar a estrutura e a morfologia da superfície do elétrodo negativo de grafite por meios físicos para aumentar a área de superfície e a área de contacto, melhorando assim a eficiência de armazenamento e libertação de iões de lítio.

1.º Reduzir o tamanho das partículas: A moagem mecânica de bolas pode reduzir significativamente o tamanho das partículas de grafite, de modo a que o material do elétrodo negativo de grafite tenha uma maior área de superfície específica. O tamanho de partícula mais pequeno conduz à rápida difusão dos iões de lítio e melhora o desempenho da taxa da bateria.

2.º Introduzir novas fases: Durante o processo de moagem de bolas, as partículas de grafite podem sofrer mudanças de fase devido a forças mecânicas, como a introdução de novas fases, como as fases romboédricas.

3.º Aumentar a porosidade: A moagem de bolas também produzirá um grande número de microporos e defeitos na superfície das partículas de grafite. Estas estruturas de poros podem servir como canais rápidos para os iões de lítio, melhorando a taxa de difusão dos iões de lítio e a eficiência de carga e descarga da bateria.

4.º Melhorar a condutividade: Embora a moagem mecânica de bolas em si não altere diretamente a condutividade da grafite, ao reduzir o tamanho da partícula e introduzir uma estrutura de poros, o contacto entre o elétrodo negativo de grafite e o eletrólito pode ser mais suficiente , melhorando assim a condutividade e o desempenho eletroquímico da bateria.

Tratamento de oxidação e halogenação de superfície

O tratamento de oxidação e halogenação pode melhorar as propriedades químicas interfaciais dos materiais de elétrodo negativo de grafite.

1. Oxidação de superfície

A oxidação superficial inclui geralmente a oxidação em fase gasosa e a oxidação em fase líquida.

2. Halogenação de superfície

Através do tratamento de halogenação, é formada uma estrutura CF na superfície do grafite natural, o que pode aumentar a estabilidade estrutural do grafite e evitar que os flocos de grafite caiam durante o ciclo.

Revestimento de superfície

A modificação do revestimento superficial de materiais de elétrodo negativo de grafite inclui principalmente o revestimento de material de carbono, metal ou não metálico e o seu revestimento de óxido e revestimento de polímero. O objetivo de melhorar a capacidade específica reversível, a eficiência do primeiro coulomb, o desempenho do ciclo e o desempenho de carga e descarga de alta corrente do elétrodo é alcançado através do revestimento superficial.

1. Revestimento de material de carbono

Uma camada de carbono amorfo é revestida na camada exterior de grafite para fazer um material compósito C/C com uma estrutura “core-shell”, de modo a que o carbono amorfo entre em contacto com o solvente, evite o contacto direto entre o solvente e a grafite, e evita a esfoliação da camada de grafite provocada pela co-incorporação das moléculas do solvente.

2.º Metal ou não metal e o seu revestimento de óxido

O metal e o seu revestimento de óxido são obtidos principalmente pela deposição de uma camada de metal ou óxido metálico na superfície do grafite. O metal de revestimento pode aumentar o coeficiente de difusão dos iões de lítio no material e melhorar o desempenho da taxa do elétrodo.

O revestimento de óxido não metálico, como o Al2O3, Al2O3 amorfo que reveste a superfície de grafite pode melhorar a molhabilidade do eletrólito, reduzir a resistência à difusão dos iões de lítio e inibir eficazmente o crescimento dos dendritos de lítio, melhorando assim as propriedades eletroquímicas dos materiais de grafite.

3. Revestimento de polímero

Os óxidos inorgânicos ou revestimentos metálicos são frágeis, difíceis de revestir uniformemente e facilmente danificados. Estudos demonstraram que a grafite revestida com sais de ácidos orgânicos contendo ligações duplas carbono-carbono é mais eficaz na melhoria do desempenho eletroquímico.