10 indicadores técnicos del ánodo de grafito para baterías de litio
Ánodo de grafito se dividen en grafito artificial y grafito natural; los materiales para ánodos de grafito natural y grafito artificial se caracterizan por una elevada conductividad eléctrica, un gran coeficiente de difusión de iones de litio, una elevada capacidad de litio embebido y un bajo potencial de litio embebido.
En comparación con otros tipos de ánodo de batería de iones de litio el grafito natural y el grafito artificial tienen amplias ventajas en términos de capacidad específica de la batería, eficiencia en el primer uso, duración del ciclo, seguridad, etc., y las materias primas están ampliamente disponibles y son baratas.
Los índices técnicos de los materiales de ánodo de grafito incluyen principalmente la superficie específica, la distribución del tamaño de las partículas, la densidad de vibración, la densidad de compactación, la densidad real, la capacidad específica de primera carga/descarga, la primera eficiencia, etc. Además, existen indicadores electroquímicos como el rendimiento cíclico, el rendimiento multiplicidad, el hinchamiento, etc. Este artículo describirá específicamente el conocimiento de los diez indicadores técnicos del ánodo de grafito.
Índice
Superficie específica del ánodo de grafito
Se refiere a la superficie por unidad de masa que tiene el objeto, cuanto más pequeñas sean las partículas, mayor será la superficie específica.
El ánodo con partículas pequeñas y alta superficie específica tiene más canales y caminos más cortos para que migren los iones de litio, por lo que el rendimiento de multiplicidad es mejor, pero debido a la gran superficie de contacto con el electrolito, la superficie para formar la película SEI también es grande, y la eficiencia de primera vez será menor.
Las partículas grandes, por el contrario, tienen la ventaja de una mayor densidad de compactación. La superficie específica del material de ánodo de grafito es inferior a 5m2/g es apropiado.
Distribución granulométrica del ánodo de grafito
El efecto del tamaño de las partículas en sus propiedades electroquímicas se manifiesta en el hecho de que el tamaño de las partículas del material del ánodo afectará directamente a la densidad de vibración del material, así como a la superficie específica del material. El tamaño de la densidad de vibración afectará directamente a la densidad de energía aparente del material.
En el mismo volumen de piezas de relleno, cuanto mayor sea la granulometría del material, más amplia será la distribución de las partículas y menor la viscosidad de la lechada, más se favorecerá la mejora del contenido en sólidos y se reducirá la dificultad de recubrimiento.
Además, cuando la distribución del tamaño de las partículas del material del ánodo de grafito es amplia, las partículas pequeñas del sistema pueden rellenar los huecos de las partículas grandes, lo que ayuda a aumentar la densidad de compactación de la pieza polar y a mejorar la densidad volumétrica de energía de la batería.
Los parámetros característicos de la distribución del tamaño de las partículas del material del ánodo de grafito son D50, D10, D90 y Dmax, de los cuales D50 representa el valor del tamaño de las partículas correspondiente a la cantidad acumulada de 50% en la curva de distribución acumulativa del tamaño de las partículas, que puede considerarse como el tamaño medio de las partículas del material.
Además, la anchura de la distribución granulométrica del material puede expresarse mediante K90, K90=(D90-D10)/D50, cuanto mayor es K90, más amplia es la distribución. El tamaño de partícula del material del ánodo de grafito viene determinado principalmente por su método de preparación, y los requisitos para sus parámetros de tamaño de partícula en la norma del grafito son D50 (aproximadamente 20 μm), Dmax (≤70 μm) y D10 (aproximadamente 10 μm).
Densidad vibracional del ánodo de grafito
Dependiendo de la vibración hace que el polvo presente una forma de pila más compacta, se mide la masa por unidad de volumen. Es un indicador importante para medir el material activo, el volumen de la batería de iones de litio es limitado, si la densidad de vibración es alta, la masa de material activo por unidad de volumen es alta, la capacidad de volumen es alta.
Densidad compactada del ánodo de grafito
Principalmente para la pieza de poste, se refiere a la densidad del material activo del ánodo y el aglutinante, etc. hechos en la pieza de poste, después del laminado, densidad compactada = densidad superficial / (el grosor de la pieza de poste después del fresado menos el grosor de la lámina de cobre).
La densidad de compactación está estrechamente relacionada con la capacidad específica de la pieza de polo, la eficiencia, la resistencia interna y el rendimiento del ciclo de la batería. Cuanto mayor sea la densidad de compactación, más material activo por unidad de volumen, mayor será la capacidad.
Sin embargo, al mismo tiempo, se reducirán los poros, empeorará el rendimiento del electrolito absorbente, se reducirá la humectabilidad, aumentará la resistencia interna y será difícil que el ion de litio se incruste y se desprenda, en lugar de ser desfavorable para el aumento de la capacidad. Factores que afectan a la densidad de compactación: influyen el tamaño, la distribución y la morfología de las partículas.
Densidad real del ánodo de grafito
Peso del material sólido por unidad de volumen del material de un ánodo de grafito en estado absolutamente denso (excluidos los huecos internos). Dado que la densidad real se mide en estado denso, será superior a la densidad vibrada. Generalmente, densidad verdadera > densidad compactada > densidad vibrada.
Capacidad específica de primera carga/descarga
Durante el primer proceso de carga de la batería de iones de litio, con la incrustación de iones de litio en la superficie del material del ánodo de grafito, las moléculas de disolvente en el electrolito se co-incrustan, y la película de pasivación SEI se forma por descomposición en la superficie del material del ánodo de grafito. Sólo después de que la superficie del ánodo de grafito esté completamente cubierta por la película SEI, las moléculas de disolvente no podrán incrustarse y la reacción se detendrá.
La generación de la película SEI consume una parte de los iones de litio, que no pueden desprenderse de la superficie del ánodo durante el proceso de descarga, reduciendo así la capacidad específica de la primera descarga.
Primera eficacia del culombio
Un indicador importante del rendimiento de los materiales de ánodo de grafito es su eficiencia de primera carga/descarga, también conocida como eficiencia de primer culombio. Durante el proceso de carga y descarga, algunos iones de litio se desprenden del electrodo positivo y se incrustan en el ánodo, pero no pueden volver al electrodo positivo para participar en el ciclo de carga y descarga, lo que da lugar a una primera eficiencia coulómbica <100%.
La razón por la que esta parte de los iones de litio no puede volver al electrodo positivo: (1) la existencia de una parte de litio incrustado irreversible, (2) la formación de la película SEI en la superficie del ánodo, la película SEI es un factor importante que afecta a la eficiencia de Coulomb.
Dado que la película SEI se forma principalmente en la superficie de los materiales del electrodo, el área de superficie específica de los materiales del electrodo afecta directamente al área de formación de la película SEI, cuanto mayor sea el área de superficie específica, mayor será el área de contacto con el electrolito y mayor será el área de formación de la película SEI.
Generalmente se cree que la formación de una película SEI estable es beneficiosa para la carga y descarga de la batería, y que el tipo de película SEI inestable es perjudicial para la reacción, que consumirá continuamente el electrolito, espesará el grosor de la película SEI y aumentará la resistencia interna.
Rendimiento ciclista
En cuanto al rendimiento de los ciclos, la película SEI tendrá un cierto impedimento para la difusión de los iones de litio y, con el aumento del número de ciclos, la película SEI seguirá desprendiéndose, pelándose y depositándose en la superficie del ánodo, lo que provocará un aumento gradual de la resistencia interna del ánodo de grafito, lo que traerá consigo la acumulación de calor y la pérdida de capacidad.
Rendimiento de aumento del ánodo de grafito
La difusión de los iones de litio en los materiales de ánodo de grafito es altamente direccional, es decir, sólo puede insertarse perpendicularmente a la cara extrema del aspecto del eje C del cristal de grafito. Los materiales de ánodo de grafito con partículas pequeñas y alta superficie específica tienen un mejor rendimiento de multiplicidad. Además, la resistencia superficial del electrodo (provocada por la película SEI) y la conductividad del electrodo también afectan al rendimiento de la multiplicidad.
Al igual que la vida útil del ciclo y la expansión, el ánodo isotrópico con muchos canales de transporte de iones de litio resuelve el problema del menor número de entradas para la incrustación y la desconexión y la baja velocidad de difusión en la estructura anisotrópica, lo que también es útil para la carga y descarga de alta corriente.
Propiedades de expansión
La expansión y la vida útil están correlacionadas positivamente. Después de que el ánodo de grafito se expanda, (1) causará la deformación del núcleo, microfisuras en las partículas del ánodo, ruptura y reorganización de la película SEI, consumo de electrolito y deterioro del rendimiento del ciclo;
(2) El separador de baterías de litio será apretado, especialmente en el borde en ángulo recto de las orejetas, lo que es más grave, y es muy fácil causar micro-cortocircuito o la precipitación de metal micro-litio con el ciclo de carga y descarga.
La cantidad de expansión está relacionada con la orientación del ánodo de grafito, orientación = I004/I110, que puede calcularse mediante los datos de DRX, el material anisótropo del ánodo de grafito tiende a expandir la red en la misma dirección (la dirección del eje C de los cristales de grafito) durante el proceso de incrustación del litio, lo que conducirá a una mayor expansión del volumen de la batería.
Hola, soy Lucky, graduado de una universidad muy conocida en China, ahora se dedica principalmente a la edición de artículos sobre las baterías de litio de la motocicleta, y la estación de intercambio de baterías, estoy comprometido a ofrecer servicios y soluciones sobre la estación de intercambio de baterías para diversas industrias.
10 indicadores técnicos del ánodo de grafito para baterías de litio
Ánodo de grafito se dividen en grafito artificial y grafito natural; los materiales para ánodos de grafito natural y grafito artificial se caracterizan por una elevada conductividad eléctrica, un gran coeficiente de difusión de iones de litio, una elevada capacidad de litio embebido y un bajo potencial de litio embebido.
En comparación con otros tipos de ánodo de batería de iones de litio el grafito natural y el grafito artificial tienen amplias ventajas en términos de capacidad específica de la batería, eficiencia en el primer uso, duración del ciclo, seguridad, etc., y las materias primas están ampliamente disponibles y son baratas.
Los índices técnicos de los materiales de ánodo de grafito incluyen principalmente la superficie específica, la distribución del tamaño de las partículas, la densidad de vibración, la densidad de compactación, la densidad real, la capacidad específica de primera carga/descarga, la primera eficiencia, etc. Además, existen indicadores electroquímicos como el rendimiento cíclico, el rendimiento multiplicidad, el hinchamiento, etc. Este artículo describirá específicamente el conocimiento de los diez indicadores técnicos del ánodo de grafito.
Superficie específica del ánodo de grafito
Se refiere a la superficie por unidad de masa que tiene el objeto, cuanto más pequeñas sean las partículas, mayor será la superficie específica.
El ánodo con partículas pequeñas y alta superficie específica tiene más canales y caminos más cortos para que migren los iones de litio, por lo que el rendimiento de multiplicidad es mejor, pero debido a la gran superficie de contacto con el electrolito, la superficie para formar la película SEI también es grande, y la eficiencia de primera vez será menor.
Las partículas grandes, por el contrario, tienen la ventaja de una mayor densidad de compactación. La superficie específica del material de ánodo de grafito es inferior a 5m2/g es apropiado.
Distribución granulométrica del ánodo de grafito
El efecto del tamaño de las partículas en sus propiedades electroquímicas se manifiesta en el hecho de que el tamaño de las partículas del material del ánodo afectará directamente a la densidad de vibración del material, así como a la superficie específica del material. El tamaño de la densidad de vibración afectará directamente a la densidad de energía aparente del material.
En el mismo volumen de piezas de relleno, cuanto mayor sea la granulometría del material, más amplia será la distribución de las partículas y menor la viscosidad de la lechada, más se favorecerá la mejora del contenido en sólidos y se reducirá la dificultad de recubrimiento.
Además, cuando la distribución del tamaño de las partículas del material del ánodo de grafito es amplia, las partículas pequeñas del sistema pueden rellenar los huecos de las partículas grandes, lo que ayuda a aumentar la densidad de compactación de la pieza polar y a mejorar la densidad volumétrica de energía de la batería.
Los parámetros característicos de la distribución del tamaño de las partículas del material del ánodo de grafito son D50, D10, D90 y Dmax, de los cuales D50 representa el valor del tamaño de las partículas correspondiente a la cantidad acumulada de 50% en la curva de distribución acumulativa del tamaño de las partículas, que puede considerarse como el tamaño medio de las partículas del material.
Además, la anchura de la distribución granulométrica del material puede expresarse mediante K90, K90=(D90-D10)/D50, cuanto mayor es K90, más amplia es la distribución. El tamaño de partícula del material del ánodo de grafito viene determinado principalmente por su método de preparación, y los requisitos para sus parámetros de tamaño de partícula en la norma del grafito son D50 (aproximadamente 20 μm), Dmax (≤70 μm) y D10 (aproximadamente 10 μm).
Densidad vibracional del ánodo de grafito
Dependiendo de la vibración hace que el polvo presente una forma de pila más compacta, se mide la masa por unidad de volumen. Es un indicador importante para medir el material activo, el volumen de la batería de iones de litio es limitado, si la densidad de vibración es alta, la masa de material activo por unidad de volumen es alta, la capacidad de volumen es alta.
Densidad compactada del ánodo de grafito
Principalmente para la pieza de poste, se refiere a la densidad del material activo del ánodo y el aglutinante, etc. hechos en la pieza de poste, después del laminado, densidad compactada = densidad superficial / (el grosor de la pieza de poste después del fresado menos el grosor de la lámina de cobre).
La densidad de compactación está estrechamente relacionada con la capacidad específica de la pieza de polo, la eficiencia, la resistencia interna y el rendimiento del ciclo de la batería. Cuanto mayor sea la densidad de compactación, más material activo por unidad de volumen, mayor será la capacidad.
Sin embargo, al mismo tiempo, se reducirán los poros, empeorará el rendimiento del electrolito absorbente, se reducirá la humectabilidad, aumentará la resistencia interna y será difícil que el ion de litio se incruste y se desprenda, en lugar de ser desfavorable para el aumento de la capacidad. Factores que afectan a la densidad de compactación: influyen el tamaño, la distribución y la morfología de las partículas.
Densidad real del ánodo de grafito
Peso del material sólido por unidad de volumen del material de un ánodo de grafito en estado absolutamente denso (excluidos los huecos internos). Dado que la densidad real se mide en estado denso, será superior a la densidad vibrada. Generalmente, densidad verdadera > densidad compactada > densidad vibrada.
Capacidad específica de primera carga/descarga
Durante el primer proceso de carga de la batería de iones de litio, con la incrustación de iones de litio en la superficie del material del ánodo de grafito, las moléculas de disolvente en el electrolito se co-incrustan, y la película de pasivación SEI se forma por descomposición en la superficie del material del ánodo de grafito. Sólo después de que la superficie del ánodo de grafito esté completamente cubierta por la película SEI, las moléculas de disolvente no podrán incrustarse y la reacción se detendrá.
La generación de la película SEI consume una parte de los iones de litio, que no pueden desprenderse de la superficie del ánodo durante el proceso de descarga, reduciendo así la capacidad específica de la primera descarga.
Primera eficacia del culombio
Un indicador importante del rendimiento de los materiales de ánodo de grafito es su eficiencia de primera carga/descarga, también conocida como eficiencia de primer culombio. Durante el proceso de carga y descarga, algunos iones de litio se desprenden del electrodo positivo y se incrustan en el ánodo, pero no pueden volver al electrodo positivo para participar en el ciclo de carga y descarga, lo que da lugar a una primera eficiencia coulómbica <100%.
La razón por la que esta parte de los iones de litio no puede volver al electrodo positivo: (1) la existencia de una parte de litio incrustado irreversible, (2) la formación de la película SEI en la superficie del ánodo, la película SEI es un factor importante que afecta a la eficiencia de Coulomb.
Dado que la película SEI se forma principalmente en la superficie de los materiales del electrodo, el área de superficie específica de los materiales del electrodo afecta directamente al área de formación de la película SEI, cuanto mayor sea el área de superficie específica, mayor será el área de contacto con el electrolito y mayor será el área de formación de la película SEI.
Generalmente se cree que la formación de una película SEI estable es beneficiosa para la carga y descarga de la batería, y que el tipo de película SEI inestable es perjudicial para la reacción, que consumirá continuamente el electrolito, espesará el grosor de la película SEI y aumentará la resistencia interna.
Rendimiento ciclista
En cuanto al rendimiento de los ciclos, la película SEI tendrá un cierto impedimento para la difusión de los iones de litio y, con el aumento del número de ciclos, la película SEI seguirá desprendiéndose, pelándose y depositándose en la superficie del ánodo, lo que provocará un aumento gradual de la resistencia interna del ánodo de grafito, lo que traerá consigo la acumulación de calor y la pérdida de capacidad.
Rendimiento de aumento del ánodo de grafito
La difusión de los iones de litio en los materiales de ánodo de grafito es altamente direccional, es decir, sólo puede insertarse perpendicularmente a la cara extrema del aspecto del eje C del cristal de grafito. Los materiales de ánodo de grafito con partículas pequeñas y alta superficie específica tienen un mejor rendimiento de multiplicidad. Además, la resistencia superficial del electrodo (provocada por la película SEI) y la conductividad del electrodo también afectan al rendimiento de la multiplicidad.
Al igual que la vida útil del ciclo y la expansión, el ánodo isotrópico con muchos canales de transporte de iones de litio resuelve el problema del menor número de entradas para la incrustación y la desconexión y la baja velocidad de difusión en la estructura anisotrópica, lo que también es útil para la carga y descarga de alta corriente.
Propiedades de expansión
La expansión y la vida útil están correlacionadas positivamente. Después de que el ánodo de grafito se expanda, (1) causará la deformación del núcleo, microfisuras en las partículas del ánodo, ruptura y reorganización de la película SEI, consumo de electrolito y deterioro del rendimiento del ciclo;
(2) El separador de baterías de litio será apretado, especialmente en el borde en ángulo recto de las orejetas, lo que es más grave, y es muy fácil causar micro-cortocircuito o la precipitación de metal micro-litio con el ciclo de carga y descarga.
La cantidad de expansión está relacionada con la orientación del ánodo de grafito, orientación = I004/I110, que puede calcularse mediante los datos de DRX, el material anisótropo del ánodo de grafito tiende a expandir la red en la misma dirección (la dirección del eje C de los cristales de grafito) durante el proceso de incrustación del litio, lo que conducirá a una mayor expansión del volumen de la batería.
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