ידע בסיסי של חומרי אלקטרודה שליליים - חומרי גרפיט

ידע בסיסי של חומרי אלקטרודה שליליים - חומרי גרפיט
גרפיט הוא אחד מחומרי האלקטרודה השליליים המוקדמים ביותר המשמשים בסוללות ליתיום-יון. יש לו מוליכות טובה, גבישות גבוהה ומבנה שכבה טוב. זה מתאים מאוד להכנסת/מיצוי של יוני ליתיום ליצירת תרכובות בין-שכביות ליתיום-גרפיט. הקיבולת הספציפית של פריקה מטען יכולה להגיע ליותר מ- 300mA/גרם, היעילות המפרקה את המטען היא יותר מ- 90%, והיכולת הבלתי הפיכה היא פחות מ- 50mA • h/g. תגובת מיצוי הליתיום בגרפיט מתרחשת בערך 0 ~ 0.25V (לעומת Li+/Li). יש לו פלטפורמה פוטנציאלית לטעינה טובה ויכולה להתאים לחומרי אלקטרודה חיוביים רבים כולל LIMN2O4. מתח הפלט הממוצע של הסוללה גבוה. זהו כיום חומר האלקטרודה השלילי הנפוץ ביותר לסוללות ליתיום-יון. גרפיט שייך למערכת הקריסטל המשושה. הגבישים שלה מורכבים ממטוסי רשת משושה המורכבים מאטומי פחמן והם מוערמים באופן קבוע. יש לו מבנה שכבות.
בכל שכבה, אטומי פחמן מסודרים במשושה, וכל אטום פחמן קשור באופן קוואליטי לשלושה אטומי פחמן סמוכים עם מסלול היברידי SP2, והאלקטרונים בצורת האורביטל שנותרו. נכון לעכשיו, חומרי הפחמן המבוססים על גרפיט בשוק כוללים בעיקר את הקטגוריות הבאות: חרוזי מיקרו פחמן מזופאזים מאוד (MCMB), סיבים גרפיים, גרפיט מלאכותי וגרפיט טבעי.

ל- MCMB צורה כוללת כדורית, צפיפות ערמה גבוהה, מבנה ערימת שכבה מסודר מאוד, ויכולת הטמעת ליתיום גדולה יחסית לנפח יחידה. הוא פותח לראשונה והופק על ידי חברת גז אוסאקה מיפן ומשמש כחומר אלקטרודה שלילי לסוללות ליתיום-יון. ל- MCMB משטח חלק ושטח פנים ספציפי קטן, שיכולים להפחית את התרחשותן של תגובות גבול אלקטרודה במהלך טעינה ופריקה, ובכך להפחית את אובדן הקיבולת בתהליך הטעינה הראשון; בנוסף, לכדור הקטן יש מבנה למלתי, התורם להטמעה ולפיצול של יוני ליתיום מכל כיווני הכדור, ומפחית את הנפיחות והתמוטטותם של גיליונות גרפיט הנגרמים כתוצאה מניתוח מופרז של חומרי גרפיט, ולכן יש יכולת טעינה וזרם מהיר וזרם מסוים. MCMB גרפיני מאוד מתקבל על ידי הכפפת חומר אורגני של פחם פחם לפולי -קונדנסציה תרמית כדי להשיג כדורי פחמן מזופאזיים, אשר אז מטוהרים על ידי מיצוי ממס ושיטות אחרות ואז מטפלים בחום. כחומר אלקטרודה שלילי לסוללות ליתיום-יון, ל- MCMB השפעה רבה על ביצועי החדרת הליתיום שלו בגלל טמפרטורת הטיפול בחום וזמן. MCMB הוא אחד מחומרי האלקטרודה השליליים העיקריים המשמשים כיום בסוללות סוללות ליתיום-יון קטנות לאורך החיים וסוללות הכוח, אך הבעיות העיקריות שלה הן קיבולת ספציפית נמוכה ומחיר גבוה.

בנוסף ל- MCMB, ישנן צורות אחרות של גרפיט מלאכותי העשויות מפחמן גרפיזציה. סיבי גרפיט המופקדים על אדים הם חומר סיבים גרפי עם מבנה חלול צינורי. כחומר אלקטרודה שלילי לסוללות ליתיום-יון, יש לו קיבולת ספציפית לפריקה של יותר מ- 320mA-H/G ויעילות מטען ופריקה ראשונית של 93%. בהשוואה לחומרי אלקטרודה שליליים פחמן או גרפיט אחרים, סוללות ליתיום-יון המשתמשות בסיבי גרפיט המופקדים על אדים כאלקטרודה שלילית יש ביצועי פריקה גדולים יותר מצוינים וביצועי פריקה בטמפרטורה נמוכה, וחיי מחזור ארוכים יותר. עם זאת, בשל תהליך ההכנה המורכב של חומרי סיבי גרפיט שהופקדו בשלב הגז ועלות חומר גבוהה, היישום הגדול שלו בסוללות ליתיום-יון כפוף למגבלות מסוימות. גרפיט מלאכותי שהוכן על ידי סמים, התאמה מבנית או שינוי פני שטח של פחמן גרפיטיזציה בקלות כמו קולה נפט וטיפול גרפיטיזציה בטמפרטורה גבוהה יש ביצועי מחזור טובים ומחיר הנמוך מ- MCMB. נכון לעכשיו, יפן ומדינות אחרות החלו בייצור ושימוש בפועל. ישנם גם חסרונות רבים של גרפיט כאלקטרודה שלילית, כגון: סרט SEI נוצר במהלך מחזור המטען והפריקה, וגורם להתרחבות מטריצה ​​ואובדן יכולת, תוך גרימת שכבת הגרפיט לקלף ולהפחית את החיים; לחומר גרפיט יש תאימות לקויה עם ממס מחשב; ניתן להטמיע ולחולץ רק את Li* מגבול הפתית, ובשל אזור תגובת ההטמעה/מיצוי הקטנה ונתיב הדיפוזיה הארוך, הוא אינו מתאים לטעינה וזרם גדול של זרם; טמפרטורת הטיפול בחום הגרפיט בדרך כלל צריכה להיות מעל 2000C, מה שמגדיל את עלות הייצור; כאשר הפוטנציאל מגיע ל- 0V או נמוך יותר, ליתיום מתכתי עשוי להיות מופקד על האלקטרודה הגרפיט. בשל החסרונות לעיל של גרפיט ללא שינוי, גרפיט שונה נמצא בשימוש נרחב בפועל. ביניהם ציפוי פני השטח, שינוי כימי וספירואיזציה הם שיטות הטיפול העיקריות כיום. ציפוי פני השטח כולל ציפוי אורגני וציפוי אורגני, ושינוי כימי כולל בעיקר חמצון, הפחתה ושינוי כימי פני השטח.