10 indicateurs techniques de l'anode en graphite pour batterie au lithium
Anode en graphite Le graphite naturel et le graphite artificiel se caractérisent par une conductivité électrique élevée, un coefficient de diffusion des ions lithium important, une capacité de lithium intégrée élevée et un faible potentiel de lithium intégré.
Par rapport à d'autres types de anode de batterie lithium-ion le graphite naturel et le graphite artificiel présentent des avantages considérables en termes de capacité spécifique de la batterie, d'efficacité initiale, de durée de vie, de sécurité, etc.
Les indices techniques des matériaux d'anode en graphite comprennent principalement la surface spécifique, la distribution de la taille des particules, la densité de vibration, la densité de compactage, la densité réelle, la capacité spécifique de première charge/décharge, le premier rendement, etc. En outre, il existe des indicateurs électrochimiques tels que la performance de cyclage, la performance de multiplicité, le gonflement, etc. Cet article décrit spécifiquement la connaissance des dix indicateurs techniques de l'anode en graphite.
Table des matières
Surface spécifique de l'anode en graphite
Plus les particules sont petites, plus la surface spécifique est grande.
L'anode avec de petites particules et une surface spécifique élevée dispose de plus de canaux et de chemins plus courts pour la migration des ions lithium, de sorte que la performance de multiplicité est meilleure, mais en raison de la grande surface de contact avec l'électrolyte, la surface de formation du film SEI est également importante, et l'efficacité de la première fois sera plus faible.
Les grosses particules, au contraire, présentent l'avantage d'une plus grande densité de compactage. La surface spécifique du matériau d'anode en graphite est inférieure à 5m2/g, ce qui est approprié.
Distribution de la taille des particules de l'anode en graphite
L'effet de la taille des particules sur leurs propriétés électrochimiques se manifeste par le fait que la taille des particules du matériau de l'anode affectera directement la densité vibratoire du matériau ainsi que la surface spécifique du matériau. La taille de la densité de vibration affectera directement la densité d'énergie en vrac du matériau.
Dans le même volume de pièces de remplissage, plus la taille des particules du matériau est importante, plus la distribution des particules est large, plus la viscosité de la boue est faible, plus il est possible d'améliorer le contenu solide et de réduire la difficulté de l'enrobage.
En outre, lorsque la distribution de la taille des particules du matériau de l'anode en graphite est large, les petites particules du système peuvent être remplies dans les interstices des grosses particules, ce qui permet d'augmenter la densité de compactage de la pièce polaire et d'améliorer la densité d'énergie volumétrique de la batterie.
Les paramètres caractéristiques de la distribution de la taille des particules du matériau de l'anode en graphite sont D50, D10, D90 et Dmax, dont D50 représente la valeur de la taille des particules correspondant à la quantité accumulée de 50% dans la courbe de distribution cumulative de la taille des particules, qui peut être considérée comme la taille moyenne des particules du matériau.
En outre, la largeur de la distribution de la taille des particules du matériau peut être exprimée par K90, K90=(D90-D10)/D50, plus K90 est grand, plus la distribution est large. La taille des particules du matériau d'anode en graphite est principalement déterminée par sa méthode de préparation, et les exigences relatives à ses paramètres de taille de particules dans la norme sur le graphite sont D50 (environ 20 μm), Dmax (≤70 μm) et D10 (environ 10 μm).
Densité vibratoire de l'anode en graphite
En s'appuyant sur la vibration, la poudre présente une forme de pile plus compacte, la masse par unité de volume est mesurée. Il s'agit d'un indicateur important pour mesurer la matière active, le volume des batteries lithium-ion étant limité, si la densité de vibration est élevée, la masse de la matière active par unité de volume est élevée, la capacité de volume est élevée.
Densité comprimée de l'anode en graphite
Principalement pour la pièce polaire, il s'agit de la densité du matériau actif de l'anode et du liant, etc. intégré dans la pièce polaire, après laminage, densité compactée = densité de surface / (l'épaisseur de la pièce polaire après broyage moins l'épaisseur de la feuille de cuivre).
La densité de compactage est étroitement liée à la capacité spécifique de la pièce polaire, à l'efficacité, à la résistance interne et à la performance du cycle de la batterie. Plus la densité de compactage est élevée, plus il y a de matière active par unité de volume, plus la capacité est grande.
Cependant, dans le même temps, les pores seront réduits, la performance d'absorption de l'électrolyte devient moins bonne, la mouillabilité est réduite, la résistance interne augmente, et l'ion lithium est difficile à intégrer et à déloger, au lieu d'être défavorable à l'augmentation de la capacité. Facteurs affectant la densité de compactage : la taille, la distribution et la morphologie des particules ont un effet.
Densité réelle de l'anode en graphite
Le poids du matériau solide par unité de volume du matériau d'une anode en graphite à l'état absolument dense (à l'exclusion des vides internes). La densité réelle étant mesurée à l'état dense, elle sera plus élevée que la densité vibrée. En général, la densité réelle > la densité compactée > la densité vibrée.
Capacité spécifique de première charge/décharge
Au cours du premier processus de charge de la batterie lithium-ion, les molécules de solvant de l'électrolyte s'incorporent à la surface du matériau d'anode en graphite, et le film de passivation SEI se forme par décomposition à la surface du matériau d'anode en graphite. Ce n'est que lorsque la surface de l'anode en graphite est complètement recouverte par le film SEI que les molécules de solvant ne peuvent plus être intégrées et que la réaction s'arrête.
La génération du film SEI consomme une partie des ions lithium, qui ne peuvent pas être délogés de la surface de l'anode pendant le processus de décharge, ce qui réduit la capacité spécifique de la première décharge.
Première efficacité coulombienne
Un indicateur important de la performance des matériaux d'anode en graphite est leur efficacité de première charge/décharge, également connue sous le nom d'efficacité de premier coulomb. Au cours du processus de charge et de décharge, certains ions lithium sont détachés de l'électrode positive et intégrés dans l'anode, mais ne peuvent pas retourner à l'électrode positive pour participer au cycle de charge et de décharge, ce qui se traduit par une première efficacité coulombienne <100%.
La raison pour laquelle cette partie des ions lithium ne peut pas retourner à l'électrode positive est la suivante : (1) l'existence d'une partie du lithium incorporé irréversible, (2) la formation d'un film SEI à la surface de l'anode, le film SEI est un facteur important qui affecte l'efficacité de Coulomb.
Comme le film SEI se forme principalement à la surface des matériaux d'électrode, la surface spécifique des matériaux d'électrode affecte directement la zone de formation du film SEI ; plus la surface spécifique est grande, plus la zone de contact avec l'électrolyte est grande et plus la zone de formation du film SEI est grande.
On estime généralement que la formation d'un film SEI stable est bénéfique pour la charge et la décharge de la batterie, et qu'un film SEI instable est préjudiciable à la réaction, car il consomme continuellement l'électrolyte, épaissit l'épaisseur du film SEI et augmente la résistance interne.
Performances cyclistes
En termes de performances de cyclage, le film SEI présente un certain obstacle à la diffusion des ions lithium et, avec l'augmentation du nombre de cycles, le film SEI continue à se détacher, à se décoller et à se déposer sur la surface de l'anode, ce qui entraîne une augmentation progressive de la résistance interne de l'anode en graphite, qui provoque une accumulation de chaleur et une perte de capacité.
Performance d'agrandissement de l'anode en graphite
La diffusion des ions lithium dans les matériaux d'anode en graphite est très directionnelle, c'est-à-dire qu'elle ne peut être insérée que perpendiculairement à la face terminale de l'aspect de l'axe C du cristal de graphite. Les matériaux d'anode en graphite avec de petites particules et une surface spécifique élevée ont de meilleures performances en matière de multiplicité. En outre, la résistance de surface de l'électrode (provoquée par le film SEI) et la conductivité de l'électrode affectent également les performances de multiplicité.
Tout comme la durée de vie et l'expansion, l'anode isotrope avec de nombreux canaux de transport des ions lithium résout le problème du nombre réduit d'entrées pour l'encastrement et le désencastrement et du faible taux de diffusion dans la structure anisotrope, ce qui est également utile pour la charge et la décharge à haut courant.
Propriétés d'expansion
L'expansion et la durée de vie sont positivement corrélées. L'expansion de l'anode en graphite (1) entraîne une déformation du noyau, des microfissures dans les particules de l'anode, une rupture et une réorganisation du film SEI, une consommation d'électrolyte et une détérioration de la performance du cycle ;
(2) Le séparateur de piles au lithium Il est très facile de provoquer un micro-court-circuit ou une précipitation de micro-lithium métal lors du cycle de charge et de décharge.
L'ampleur de l'expansion est liée à l'orientation de l'anode en graphite, orientation = I004/I110, qui peut être calculée par les données XRD. Le matériau anodique en graphite anisotrope a tendance à étendre le réseau dans la même direction (la direction de l'axe C des cristaux de graphite) pendant le processus d'incorporation du lithium, ce qui entraînera une plus grande expansion du volume de la batterie.
Bonjour, je m'appelle Lucky, je suis diplômé d'une université réputée en Chine, je me consacre maintenant principalement à la rédaction d'articles sur les batteries de moto au lithium et la station d'échange de batteries, je m'engage à offrir des services et des solutions sur la station d'échange de batteries pour diverses industries.
10 indicateurs techniques de l'anode en graphite pour batterie au lithium
Anode en graphite Le graphite naturel et le graphite artificiel se caractérisent par une conductivité électrique élevée, un coefficient de diffusion des ions lithium important, une capacité de lithium intégrée élevée et un faible potentiel de lithium intégré.
Par rapport à d'autres types de anode de batterie lithium-ion le graphite naturel et le graphite artificiel présentent des avantages considérables en termes de capacité spécifique de la batterie, d'efficacité initiale, de durée de vie, de sécurité, etc.
Les indices techniques des matériaux d'anode en graphite comprennent principalement la surface spécifique, la distribution de la taille des particules, la densité de vibration, la densité de compactage, la densité réelle, la capacité spécifique de première charge/décharge, le premier rendement, etc. En outre, il existe des indicateurs électrochimiques tels que la performance de cyclage, la performance de multiplicité, le gonflement, etc. Cet article décrit spécifiquement la connaissance des dix indicateurs techniques de l'anode en graphite.
Surface spécifique de l'anode en graphite
Plus les particules sont petites, plus la surface spécifique est grande.
L'anode avec de petites particules et une surface spécifique élevée dispose de plus de canaux et de chemins plus courts pour la migration des ions lithium, de sorte que la performance de multiplicité est meilleure, mais en raison de la grande surface de contact avec l'électrolyte, la surface de formation du film SEI est également importante, et l'efficacité de la première fois sera plus faible.
Les grosses particules, au contraire, présentent l'avantage d'une plus grande densité de compactage. La surface spécifique du matériau d'anode en graphite est inférieure à 5m2/g, ce qui est approprié.
Distribution de la taille des particules de l'anode en graphite
L'effet de la taille des particules sur leurs propriétés électrochimiques se manifeste par le fait que la taille des particules du matériau de l'anode affectera directement la densité vibratoire du matériau ainsi que la surface spécifique du matériau. La taille de la densité de vibration affectera directement la densité d'énergie en vrac du matériau.
Dans le même volume de pièces de remplissage, plus la taille des particules du matériau est importante, plus la distribution des particules est large, plus la viscosité de la boue est faible, plus il est possible d'améliorer le contenu solide et de réduire la difficulté de l'enrobage.
En outre, lorsque la distribution de la taille des particules du matériau de l'anode en graphite est large, les petites particules du système peuvent être remplies dans les interstices des grosses particules, ce qui permet d'augmenter la densité de compactage de la pièce polaire et d'améliorer la densité d'énergie volumétrique de la batterie.
Les paramètres caractéristiques de la distribution de la taille des particules du matériau de l'anode en graphite sont D50, D10, D90 et Dmax, dont D50 représente la valeur de la taille des particules correspondant à la quantité accumulée de 50% dans la courbe de distribution cumulative de la taille des particules, qui peut être considérée comme la taille moyenne des particules du matériau.
En outre, la largeur de la distribution de la taille des particules du matériau peut être exprimée par K90, K90=(D90-D10)/D50, plus K90 est grand, plus la distribution est large. La taille des particules du matériau d'anode en graphite est principalement déterminée par sa méthode de préparation, et les exigences relatives à ses paramètres de taille de particules dans la norme sur le graphite sont D50 (environ 20 μm), Dmax (≤70 μm) et D10 (environ 10 μm).
Densité vibratoire de l'anode en graphite
En s'appuyant sur la vibration, la poudre présente une forme de pile plus compacte, la masse par unité de volume est mesurée. Il s'agit d'un indicateur important pour mesurer la matière active, le volume des batteries lithium-ion étant limité, si la densité de vibration est élevée, la masse de la matière active par unité de volume est élevée, la capacité de volume est élevée.
Densité comprimée de l'anode en graphite
Principalement pour la pièce polaire, il s'agit de la densité du matériau actif de l'anode et du liant, etc. intégré dans la pièce polaire, après laminage, densité compactée = densité de surface / (l'épaisseur de la pièce polaire après broyage moins l'épaisseur de la feuille de cuivre).
La densité de compactage est étroitement liée à la capacité spécifique de la pièce polaire, à l'efficacité, à la résistance interne et à la performance du cycle de la batterie. Plus la densité de compactage est élevée, plus il y a de matière active par unité de volume, plus la capacité est grande.
Cependant, dans le même temps, les pores seront réduits, la performance d'absorption de l'électrolyte devient moins bonne, la mouillabilité est réduite, la résistance interne augmente, et l'ion lithium est difficile à intégrer et à déloger, au lieu d'être défavorable à l'augmentation de la capacité. Facteurs affectant la densité de compactage : la taille, la distribution et la morphologie des particules ont un effet.
Densité réelle de l'anode en graphite
Le poids du matériau solide par unité de volume du matériau d'une anode en graphite à l'état absolument dense (à l'exclusion des vides internes). La densité réelle étant mesurée à l'état dense, elle sera plus élevée que la densité vibrée. En général, la densité réelle > la densité compactée > la densité vibrée.
Capacité spécifique de première charge/décharge
Au cours du premier processus de charge de la batterie lithium-ion, les molécules de solvant de l'électrolyte s'incorporent à la surface du matériau d'anode en graphite, et le film de passivation SEI se forme par décomposition à la surface du matériau d'anode en graphite. Ce n'est que lorsque la surface de l'anode en graphite est complètement recouverte par le film SEI que les molécules de solvant ne peuvent plus être intégrées et que la réaction s'arrête.
La génération du film SEI consomme une partie des ions lithium, qui ne peuvent pas être délogés de la surface de l'anode pendant le processus de décharge, ce qui réduit la capacité spécifique de la première décharge.
Première efficacité coulombienne
Un indicateur important de la performance des matériaux d'anode en graphite est leur efficacité de première charge/décharge, également connue sous le nom d'efficacité de premier coulomb. Au cours du processus de charge et de décharge, certains ions lithium sont détachés de l'électrode positive et intégrés dans l'anode, mais ne peuvent pas retourner à l'électrode positive pour participer au cycle de charge et de décharge, ce qui se traduit par une première efficacité coulombienne <100%.
La raison pour laquelle cette partie des ions lithium ne peut pas retourner à l'électrode positive est la suivante : (1) l'existence d'une partie du lithium incorporé irréversible, (2) la formation d'un film SEI à la surface de l'anode, le film SEI est un facteur important qui affecte l'efficacité de Coulomb.
Comme le film SEI se forme principalement à la surface des matériaux d'électrode, la surface spécifique des matériaux d'électrode affecte directement la zone de formation du film SEI ; plus la surface spécifique est grande, plus la zone de contact avec l'électrolyte est grande et plus la zone de formation du film SEI est grande.
On estime généralement que la formation d'un film SEI stable est bénéfique pour la charge et la décharge de la batterie, et qu'un film SEI instable est préjudiciable à la réaction, car il consomme continuellement l'électrolyte, épaissit l'épaisseur du film SEI et augmente la résistance interne.
Performances cyclistes
En termes de performances de cyclage, le film SEI présente un certain obstacle à la diffusion des ions lithium et, avec l'augmentation du nombre de cycles, le film SEI continue à se détacher, à se décoller et à se déposer sur la surface de l'anode, ce qui entraîne une augmentation progressive de la résistance interne de l'anode en graphite, qui provoque une accumulation de chaleur et une perte de capacité.
Performance d'agrandissement de l'anode en graphite
La diffusion des ions lithium dans les matériaux d'anode en graphite est très directionnelle, c'est-à-dire qu'elle ne peut être insérée que perpendiculairement à la face terminale de l'aspect de l'axe C du cristal de graphite. Les matériaux d'anode en graphite avec de petites particules et une surface spécifique élevée ont de meilleures performances en matière de multiplicité. En outre, la résistance de surface de l'électrode (provoquée par le film SEI) et la conductivité de l'électrode affectent également les performances de multiplicité.
Tout comme la durée de vie et l'expansion, l'anode isotrope avec de nombreux canaux de transport des ions lithium résout le problème du nombre réduit d'entrées pour l'encastrement et le désencastrement et du faible taux de diffusion dans la structure anisotrope, ce qui est également utile pour la charge et la décharge à haut courant.
Propriétés d'expansion
L'expansion et la durée de vie sont positivement corrélées. L'expansion de l'anode en graphite (1) entraîne une déformation du noyau, des microfissures dans les particules de l'anode, une rupture et une réorganisation du film SEI, une consommation d'électrolyte et une détérioration de la performance du cycle ;
(2) Le séparateur de piles au lithium Il est très facile de provoquer un micro-court-circuit ou une précipitation de micro-lithium métal lors du cycle de charge et de décharge.
L'ampleur de l'expansion est liée à l'orientation de l'anode en graphite, orientation = I004/I110, qui peut être calculée par les données XRD. Le matériau anodique en graphite anisotrope a tendance à étendre le réseau dans la même direction (la direction de l'axe C des cristaux de graphite) pendant le processus d'incorporation du lithium, ce qui entraînera une plus grande expansion du volume de la batterie.
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