การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุกราไฟท์แอโนด

กราไฟท์เป็นวัสดุอิเล็กโทรดลบชนิดแรกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่จะนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ หลังจากสามทศวรรษของการพัฒนา กราไฟท์ยังคงเป็นวัสดุอิเล็กโทรดลบที่เชื่อถือได้และใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

กราไฟต์มีโครงสร้างเป็นชั้นที่ดี โดยมีอะตอมของคาร์บอนจัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมและขยายออกไปในทิศทางสองมิติ เนื่องจากเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กราไฟท์จึงมีความสามารถในการเลือกอิเล็กโทรไลต์สูง ประจุไฟฟ้าและการคายประจุกระแสไฟสูงต่ำ และในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุครั้งแรก ลิเธียมไอออนที่ถูกละลายจะถูกแทรกเข้าไปในชั้นระหว่างกราไฟท์ ลดลงและสลายตัวเป็น ผลิตสารใหม่ทำให้เกิดการขยายตัวของปริมาตรซึ่งอาจนำไปสู่การยุบตัวของชั้นกราไฟท์โดยตรงและทำให้ประสิทธิภาพของวงจรของอิเล็กโทรดลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแก้ไขกราไฟท์เพื่อปรับปรุงความสามารถจำเพาะแบบผันกลับได้ ปรับปรุงคุณภาพของฟิล์ม SEI เพิ่มความเข้ากันได้ของกราไฟท์กับอิเล็กโทรไลต์ และปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจร ในปัจจุบัน การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของขั้วลบกราไฟท์ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นการกัดลูกบอลเชิงกล การออกซิเดชันของพื้นผิวและการบำบัดด้วยฮาโลเจน การเคลือบผิว การเติมองค์ประกอบ และวิธีการอื่น ๆ

วิธีการกัดลูกบอลแบบกลไก

วิธีการกัดลูกบอลแบบกลคือการเปลี่ยนโครงสร้างและสัณฐานวิทยาของพื้นผิวอิเล็กโทรดลบกราไฟท์ด้วยวิธีทางกายภาพเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวและพื้นที่สัมผัส ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการจัดเก็บและการปล่อยไอออนลิเธียม

1. ลดขนาดอนุภาค: การกัดลูกบอลด้วยกลสามารถลดขนาดอนุภาคของอนุภาคกราไฟท์ได้อย่างมาก เพื่อให้วัสดุอิเล็กโทรดลบกราไฟท์มีพื้นที่ผิวจำเพาะที่มากขึ้น ขนาดอนุภาคที่เล็กลงเอื้อต่อการแพร่กระจายของลิเธียมไอออนอย่างรวดเร็วและเพิ่มประสิทธิภาพอัตราของแบตเตอรี่

2. เปิดตัวเฟสใหม่: ในระหว่างกระบวนการกัดลูกบอล อนุภาคกราไฟท์อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสเนื่องจากแรงทางกล เช่น การเปิดตัวเฟสใหม่ เช่น เฟสรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน

3. เพิ่มความพรุน: การกัดลูกบอลจะทำให้เกิดไมโครรูพรุนและข้อบกพร่องจำนวนมากบนพื้นผิวของอนุภาคกราไฟท์ โครงสร้างรูพรุนเหล่านี้สามารถใช้เป็นช่องทางที่รวดเร็วสำหรับลิเธียมไอออน ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการแพร่กระจายของลิเธียมไอออน ตลอดจนประสิทธิภาพการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่

4. ปรับปรุงการนำไฟฟ้า: แม้ว่าการกัดลูกบอลเชิงกลจะไม่เปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าของกราไฟท์โดยตรง แต่โดยการลดขนาดอนุภาคและแนะนำโครงสร้างรูพรุน การสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดเชิงลบของกราไฟท์และอิเล็กโทรไลต์จะเพียงพอมากขึ้น จึงช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้าและ ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่

การบำบัดด้วยออกซิเดชันและฮาโลเจนของพื้นผิว

การบำบัดด้วยออกซิเดชันและฮาโลเจนสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดลบกราไฟท์ได้

1. ออกซิเดชันที่พื้นผิว

ออกซิเดชันที่พื้นผิวมักประกอบด้วยออกซิเดชันของเฟสก๊าซและออกซิเดชันของเฟสของเหลว

2. ฮาโลเจนที่พื้นผิว

ด้วยการบำบัดด้วยฮาโลเจน โครงสร้าง C-F จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของกราไฟท์ธรรมชาติ ซึ่งสามารถเพิ่มความเสถียรทางโครงสร้างของกราไฟท์ และป้องกันไม่ให้เกล็ดกราไฟท์หลุดออกในระหว่างรอบการทำงาน

การเคลือบพื้นผิว

การปรับเปลี่ยนการเคลือบผิวของวัสดุขั้วลบกราไฟท์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการเคลือบวัสดุคาร์บอน โลหะหรืออโลหะ และการเคลือบออกไซด์ และการเคลือบโพลีเมอร์ วัตถุประสงค์ในการปรับปรุงความจุจำเพาะแบบพลิกกลับได้ ประสิทธิภาพคูลอมบ์แรก ประสิทธิภาพของวงจร และประสิทธิภาพการชาร์จและคายประจุกระแสสูงของอิเล็กโทรดทำได้โดยการเคลือบผิว

1. การเคลือบวัสดุคาร์บอน

ชั้นของคาร์บอนอสัณฐานถูกเคลือบบนชั้นนอกของกราไฟท์เพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิต C/C ที่มีโครงสร้าง “เปลือกแกน” เพื่อให้คาร์บอนอสัณฐานสัมผัสกับตัวทำละลาย หลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงระหว่างตัวทำละลายและกราไฟท์ และ ป้องกันการขัดผิวของชั้นกราไฟท์ที่เกิดจากการรวมตัวกันของโมเลกุลตัวทำละลาย

2. โลหะหรืออโลหะและการเคลือบออกไซด์

โลหะและการเคลือบออกไซด์ส่วนใหญ่ทำได้โดยการฝากชั้นของโลหะหรือโลหะออกไซด์ไว้บนพื้นผิวของกราไฟท์ โลหะเคลือบสามารถเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของลิเธียมไอออนในวัสดุและปรับปรุงประสิทธิภาพอัตราของอิเล็กโทรด

การเคลือบอโลหะออกไซด์เช่น Al2O3, การเคลือบ Al2O3 แบบอสัณฐานบนพื้นผิวกราไฟท์สามารถปรับปรุงความสามารถในการเปียกของอิเล็กโทรไลต์ ลดความต้านทานการแพร่กระจายของไอออนลิเธียม และยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุกราไฟท์

3. การเคลือบโพลีเมอร์

สารเคลือบอนินทรีย์ออกไซด์หรือโลหะมีความเปราะ เคลือบยากสม่ำเสมอ และเสียหายได้ง่าย การศึกษาพบว่ากราไฟต์ที่เคลือบด้วยเกลือของกรดอินทรีย์ที่มีพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนมีประสิทธิภาพมากกว่าในการปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า