Biến đổi bề mặt của vật liệu cực dương than chì
Than chì là vật liệu điện cực âm đầu tiên cho pin lithium-ion được ứng dụng thương mại. Sau ba thập kỷ phát triển, than chì vẫn là vật liệu điện cực âm đáng tin cậy và được sử dụng rộng rãi nhất.
Than chì có cấu trúc phân lớp tốt, với các nguyên tử cacbon được sắp xếp theo hình lục giác và kéo dài theo hướng hai chiều. Là vật liệu điện cực âm cho pin lithium-ion, than chì có độ chọn lọc cao đối với chất điện phân, hiệu suất sạc và xả dòng điện cao kém và trong quá trình sạc và xả đầu tiên, các ion lithium hòa tan sẽ được đưa vào các lớp xen kẽ than chì, bị khử và phân hủy thành tạo ra các chất mới, gây ra sự giãn nở thể tích, có thể trực tiếp dẫn đến sự sụp đổ của lớp than chì và làm giảm hiệu suất chu trình của điện cực. Do đó, cần phải sửa đổi than chì để cải thiện công suất riêng thuận nghịch của nó, cải thiện chất lượng của màng SEI, tăng khả năng tương thích của than chì với chất điện phân và cải thiện hiệu suất chu trình của nó. Hiện nay, việc biến đổi bề mặt của điện cực âm than chì chủ yếu được chia thành nghiền bi cơ học, xử lý oxy hóa và halogen hóa bề mặt, phủ bề mặt, pha tạp nguyên tố và các phương tiện khác.
Phương pháp phay bóng cơ học
Phương pháp nghiền bi cơ học là thay đổi cấu trúc và hình thái của bề mặt điện cực âm than chì bằng phương pháp vật lý để tăng diện tích bề mặt và diện tích tiếp xúc, từ đó cải thiện hiệu quả lưu trữ và giải phóng các ion lithium.
1. Giảm kích thước hạt: Phay bi cơ học có thể làm giảm đáng kể kích thước hạt của các hạt than chì, do đó vật liệu điện cực âm than chì có diện tích bề mặt riêng lớn hơn. Kích thước hạt nhỏ hơn có lợi cho sự khuếch tán nhanh chóng của các ion lithium và cải thiện hiệu suất tốc độ của pin.
2. Đưa vào các pha mới: Trong quá trình nghiền bi, các hạt than chì có thể trải qua những thay đổi pha do lực cơ học, chẳng hạn như đưa ra các pha mới như pha hình thoi.
3. Tăng độ xốp: Nghiền bi cũng sẽ tạo ra một số lượng lớn các vi lỗ và khuyết tật trên bề mặt của các hạt than chì. Những cấu trúc lỗ rỗng này có thể đóng vai trò là kênh dẫn nhanh cho các ion lithium, cải thiện tốc độ khuếch tán của các ion lithium cũng như hiệu suất sạc và xả của pin.
4. Cải thiện độ dẫn điện: Mặc dù bản thân quá trình nghiền bi cơ học không trực tiếp làm thay đổi độ dẫn điện của than chì, nhưng bằng cách giảm kích thước hạt và tạo ra cấu trúc lỗ rỗng, sự tiếp xúc giữa điện cực âm than chì và chất điện phân có thể đủ hơn, từ đó cải thiện độ dẫn điện và hiệu suất điện hóa của pin.
Xử lý oxy hóa và halogen hóa bề mặt
Xử lý oxy hóa và halogen hóa có thể cải thiện tính chất hóa học bề mặt của vật liệu điện cực âm than chì.
1. Quá trình oxy hóa bề mặt
Quá trình oxy hóa bề mặt thường bao gồm quá trình oxy hóa pha khí và quá trình oxy hóa pha lỏng.
2. Halogen hóa bề mặt
Thông qua xử lý halogen hóa, cấu trúc C-F được hình thành trên bề mặt than chì tự nhiên, có thể tăng cường độ ổn định cấu trúc của than chì và ngăn các mảnh than chì rơi ra trong chu kỳ.
Lớp phủ bề mặt
Việc sửa đổi lớp phủ bề mặt của vật liệu điện cực âm than chì chủ yếu bao gồm lớp phủ vật liệu carbon, kim loại hoặc phi kim loại và lớp phủ oxit của nó và lớp phủ polymer. Mục đích của việc cải thiện công suất riêng có thể đảo ngược, hiệu suất Coulomb đầu tiên, hiệu suất chu kỳ và hiệu suất phóng điện và phóng điện cao của điện cực đạt được thông qua lớp phủ bề mặt.
1. Lớp phủ vật liệu carbon
Một lớp cacbon vô định hình được phủ lên lớp than chì bên ngoài để tạo thành vật liệu composite C/C có cấu trúc “lõi-vỏ”, để cacbon vô định hình tiếp xúc với dung môi, tránh tiếp xúc trực tiếp giữa dung môi và than chì, đồng thời ngăn chặn sự bong tróc lớp than chì do sự gắn kết của các phân tử dung môi.
2. Kim loại hoặc phi kim loại và lớp phủ oxit của chúng
Kim loại và lớp phủ oxit của nó chủ yếu đạt được bằng cách lắng đọng một lớp kim loại hoặc oxit kim loại trên bề mặt than chì. Lớp phủ kim loại có thể làm tăng hệ số khuếch tán của các ion lithium trong vật liệu và cải thiện hiệu suất tốc độ của điện cực.
Lớp phủ oxit phi kim loại như Al2O3, lớp phủ Al2O3 vô định hình trên bề mặt than chì có thể cải thiện độ ẩm của chất điện phân, giảm khả năng chống khuếch tán của các ion lithium và ức chế hiệu quả sự phát triển của đuôi gai lithium, từ đó cải thiện tính chất điện hóa của vật liệu than chì.
3. Lớp phủ polymer
Các oxit vô cơ hoặc lớp phủ kim loại rất giòn, khó phủ đều và dễ bị hư hỏng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng than chì được phủ muối axit hữu cơ chứa liên kết đôi cacbon-cacbon có hiệu quả hơn trong việc cải thiện hiệu suất điện hóa.