10 indicadores técnicos do ânodo de grafite para baterias de lítio
Ânodo de grafite Os materiais anódicos são divididos em grafite artificial e grafite natural; os materiais anódicos de grafite natural e de grafite artificial caracterizam-se por uma elevada condutividade eléctrica, um grande coeficiente de difusão do ião de lítio, uma elevada capacidade de lítio incorporado e um baixo potencial de lítio incorporado.
Em comparação com outros tipos de ânodo de bateria de iões de lítio Os materiais, a grafite natural e a grafite artificial têm vantagens abrangentes em termos de capacidade específica da bateria, eficiência inicial, ciclo de vida, segurança, etc., e as matérias-primas estão amplamente disponíveis e são baratas.
Os índices técnicos dos materiais de ânodo de grafite incluem principalmente a área de superfície específica, a distribuição do tamanho das partículas, a densidade de vibração, a densidade de compactação, a densidade real, a capacidade específica de primeira carga/descarga, a primeira eficiência e assim por diante. Além disso, existem indicadores electroquímicos, tais como o desempenho do ciclo, o desempenho da multiplicidade, o inchaço e assim por diante. Este artigo descreverá especificamente o conhecimento dos dez indicadores técnicos do ânodo de grafite.
Índice
Superfície específica do ânodo de grafite
Refere-se à área de superfície por unidade de massa do objeto; quanto mais pequenas forem as partículas, maior será a área de superfície específica.
O ânodo com pequenas partículas e elevada área de superfície específica tem mais canais e caminhos mais curtos para os iões de lítio migrarem, pelo que o desempenho da multiplicidade é melhor, mas devido à grande área de contacto com o eletrólito, a área para formar a película SEI também é grande, e a eficiência da primeira vez será menor.
As partículas grandes, pelo contrário, têm a vantagem de uma maior densidade de compactação. A área de superfície específica do material do ânodo de grafite é inferior a 5m2/g é adequada.
Distribuição do tamanho das partículas do ânodo de grafite
O efeito da dimensão das partículas nas suas propriedades electroquímicas manifesta-se no facto de a dimensão das partículas do material do ânodo afetar diretamente a densidade de vibração do material, bem como a área de superfície específica do material. A dimensão da densidade de vibração afectará diretamente a densidade de energia a granel do material.
No mesmo volume de peças de enchimento, quanto maior for a dimensão das partículas do material, maior será a distribuição das partículas, menor será a viscosidade da pasta, mais propícia a melhorar o teor de sólidos e a reduzir a dificuldade de revestimento.
Além disso, quando a distribuição do tamanho das partículas do material do ânodo de grafite é ampla, as pequenas partículas no sistema podem ser preenchidas nas lacunas das partículas grandes, o que ajuda a aumentar a densidade de compactação da peça do pólo e a melhorar a densidade de energia volumétrica da bateria.
Os parâmetros característicos da distribuição da dimensão das partículas do material do ânodo de grafite são D50, D10, D90 e Dmax, dos quais D50 representa o valor da dimensão das partículas correspondente à quantidade acumulada de 50% na curva de distribuição cumulativa da dimensão das partículas, que pode ser considerada como a dimensão média das partículas do material.
Além disso, a largura da distribuição do tamanho de partícula do material pode ser expressa por K90, K90 = (D90-D10) / D50, quanto maior for K90, mais ampla será a distribuição. O tamanho de partícula do material do ânodo de grafite é determinado principalmente pelo seu método de preparação, e os requisitos para seus parâmetros de tamanho de partícula no padrão de grafite são D50 (cerca de 20 μm), Dmax (≤70 μm) e D10 (cerca de 10 μm).
Densidade vibracional do ânodo de grafite
A vibração faz com que o pó apresente uma forma de pilha mais compacta, sendo a massa por unidade de volume medida. É um indicador importante para medir o material ativo, o volume da bateria de iões de lítio é limitado, se a densidade de vibração for elevada, a massa de material ativo por unidade de volume é elevada, a capacidade de volume é elevada.
Densidade compactada do ânodo de grafite
Principalmente para a peça do pólo, refere-se à densidade do material ativo do ânodo e do aglutinante, etc., transformados na peça do pólo, após a laminagem, densidade compactada = densidade da superfície / (a espessura da peça do pólo após a moagem menos a espessura da folha de cobre).
A densidade de compactação está intimamente relacionada com a capacidade específica da peça do pólo, a eficiência, a resistência interna e o desempenho do ciclo da bateria. Quanto mais elevada for a densidade de compactação, mais material ativo por unidade de volume, maior será a capacidade.
No entanto, ao mesmo tempo, os poros serão reduzidos, o desempenho do eletrólito absorvente piora, a molhabilidade é reduzida, a resistência interna aumenta e o ião de lítio é difícil de ser incorporado e desalojado, em vez de ser desfavorável ao aumento da capacidade. Factores que afectam a densidade de compactação: o tamanho, a distribuição e a morfologia das partículas têm um efeito.
Densidade real do ânodo de grafite
O peso do material sólido por unidade de volume do material de um ânodo de grafite num estado absolutamente denso (excluindo os vazios internos). Uma vez que a densidade real é medida no estado denso, será mais elevada do que a densidade vibrada. Geralmente, a densidade real > densidade compactada > densidade vibrada.
Capacidade específica da primeira carga/descarga
Durante o primeiro processo de carregamento da bateria de iões de lítio, com a incorporação de iões de lítio na superfície do material do ânodo de grafite, as moléculas de solvente no eletrólito são co-incorporadas, e a película de passivação SEI é formada por decomposição na superfície do material do ânodo de grafite. Só depois de a superfície do ânodo de grafite estar completamente coberta pela película SEI, as moléculas de solvente não podem ser incorporadas e a reação é interrompida.
A geração de película SEI consome uma parte dos iões de lítio, que não podem ser deslocados da superfície do ânodo durante o processo de descarga, reduzindo assim a capacidade específica da primeira descarga.
Primeira eficiência de coulomb
Um indicador importante do desempenho dos materiais de ânodo de grafite é a sua eficiência de primeira carga/descarga, também conhecida como eficiência de primeira coulomb. Durante o processo de carga e descarga, alguns iões de lítio são destacados do elétrodo positivo e incorporados no ânodo, mas não podem regressar ao elétrodo positivo para participar no ciclo de carga e descarga, resultando na primeira eficiência coulombiana <100%.
A razão pela qual esta parte dos iões de lítio não pode regressar ao elétrodo positivo: (1) a existência de uma parte de lítio incorporado irreversível, (2) a formação de película SEI na superfície do ânodo, a película SEI é um fator importante que afecta a eficiência de Coulomb.
Como a película SEI se forma principalmente na superfície dos materiais do elétrodo, a área específica da superfície dos materiais do elétrodo afecta diretamente a área de formação da película SEI, quanto maior for a área específica da superfície, maior será a área de contacto com o eletrólito e maior será a área de formação da película SEI.
Acredita-se geralmente que a formação de uma película SEI estável é benéfica para o carregamento e descarregamento da bateria, e que o tipo de película SEI instável é prejudicial para a reação, que consumirá continuamente o eletrólito, engrossará a espessura da película SEI e aumentará a resistência interna.
Desempenho do ciclismo
Em termos de desempenho em ciclos, a película SEI terá um certo impedimento à difusão de iões de lítio e, com o aumento do número de ciclos, a película SEI continuará a cair, a descolar e a depositar-se na superfície do ânodo, resultando num aumento gradual da resistência interna do ânodo de grafite, o que provocará a acumulação de calor e a perda de capacidade.
Desempenho de ampliação do ânodo de grafite
A difusão dos iões de lítio nos materiais anódicos de grafite é altamente direcional, ou seja, só pode ser inserida perpendicularmente à face final do aspeto do eixo C do cristal de grafite. Os materiais do ânodo de grafite com pequenas partículas e elevada área de superfície específica têm um melhor desempenho de multiplicidade. Além disso, a resistência da superfície do elétrodo (provocada pela película SEI) e a condutividade do elétrodo também afectam o desempenho da multiplicidade.
Tal como o ciclo de vida e a expansão, o ânodo isotrópico com muitos canais de transporte de iões de lítio resolve o problema de um menor número de entradas para a incorporação e desincorporação e de uma baixa taxa de difusão na estrutura anisotrópica, o que também é útil para o carregamento e descarregamento a alta corrente.
Propriedades de expansão
A expansão e o ciclo de vida estão positivamente correlacionados. Depois de o ânodo de grafite se expandir, (1) causará deformação do núcleo, microfissuras nas partículas do ânodo, rutura e reorganização da película SEI, consumo de eletrólito e deterioração do desempenho do ciclo;
(2) O separador de baterias de lítio será espremido, especialmente na borda em ângulo reto das alças, o que é mais grave, e é muito fácil causar micro-circuito curto ou precipitação de micro-lítio metálico com o ciclo de carga e descarga.
A quantidade de expansão está relacionada com a orientação do ânodo de grafite, orientação = I004/I110, que pode ser calculada pelos dados XRD, o material anódico de grafite anisotrópico tende a expandir a rede para a mesma direção (a direção do eixo C dos cristais de grafite) durante o processo de incorporação de lítio, o que levará a uma maior expansão do volume da bateria.
Olá, eu sou o Lucky, licenciado por uma universidade bem conhecida na China, agora principalmente envolvido na edição de artigos sobre baterias de lítio para motociclos e a estação de troca de baterias, estou empenhado em oferecer serviços e soluções sobre a estação de troca de baterias para várias indústrias.
10 indicadores técnicos do ânodo de grafite para baterias de lítio
Ânodo de grafite Os materiais anódicos são divididos em grafite artificial e grafite natural; os materiais anódicos de grafite natural e de grafite artificial caracterizam-se por uma elevada condutividade eléctrica, um grande coeficiente de difusão do ião de lítio, uma elevada capacidade de lítio incorporado e um baixo potencial de lítio incorporado.
Em comparação com outros tipos de ânodo de bateria de iões de lítio Os materiais, a grafite natural e a grafite artificial têm vantagens abrangentes em termos de capacidade específica da bateria, eficiência inicial, ciclo de vida, segurança, etc., e as matérias-primas estão amplamente disponíveis e são baratas.
Os índices técnicos dos materiais de ânodo de grafite incluem principalmente a área de superfície específica, a distribuição do tamanho das partículas, a densidade de vibração, a densidade de compactação, a densidade real, a capacidade específica de primeira carga/descarga, a primeira eficiência e assim por diante. Além disso, existem indicadores electroquímicos, tais como o desempenho do ciclo, o desempenho da multiplicidade, o inchaço e assim por diante. Este artigo descreverá especificamente o conhecimento dos dez indicadores técnicos do ânodo de grafite.
Superfície específica do ânodo de grafite
Refere-se à área de superfície por unidade de massa do objeto; quanto mais pequenas forem as partículas, maior será a área de superfície específica.
O ânodo com pequenas partículas e elevada área de superfície específica tem mais canais e caminhos mais curtos para os iões de lítio migrarem, pelo que o desempenho da multiplicidade é melhor, mas devido à grande área de contacto com o eletrólito, a área para formar a película SEI também é grande, e a eficiência da primeira vez será menor.
As partículas grandes, pelo contrário, têm a vantagem de uma maior densidade de compactação. A área de superfície específica do material do ânodo de grafite é inferior a 5m2/g é adequada.
Distribuição do tamanho das partículas do ânodo de grafite
O efeito da dimensão das partículas nas suas propriedades electroquímicas manifesta-se no facto de a dimensão das partículas do material do ânodo afetar diretamente a densidade de vibração do material, bem como a área de superfície específica do material. A dimensão da densidade de vibração afectará diretamente a densidade de energia a granel do material.
No mesmo volume de peças de enchimento, quanto maior for a dimensão das partículas do material, maior será a distribuição das partículas, menor será a viscosidade da pasta, mais propícia a melhorar o teor de sólidos e a reduzir a dificuldade de revestimento.
Além disso, quando a distribuição do tamanho das partículas do material do ânodo de grafite é ampla, as pequenas partículas no sistema podem ser preenchidas nas lacunas das partículas grandes, o que ajuda a aumentar a densidade de compactação da peça do pólo e a melhorar a densidade de energia volumétrica da bateria.
Os parâmetros característicos da distribuição da dimensão das partículas do material do ânodo de grafite são D50, D10, D90 e Dmax, dos quais D50 representa o valor da dimensão das partículas correspondente à quantidade acumulada de 50% na curva de distribuição cumulativa da dimensão das partículas, que pode ser considerada como a dimensão média das partículas do material.
Além disso, a largura da distribuição do tamanho de partícula do material pode ser expressa por K90, K90 = (D90-D10) / D50, quanto maior for K90, mais ampla será a distribuição. O tamanho de partícula do material do ânodo de grafite é determinado principalmente pelo seu método de preparação, e os requisitos para seus parâmetros de tamanho de partícula no padrão de grafite são D50 (cerca de 20 μm), Dmax (≤70 μm) e D10 (cerca de 10 μm).
Densidade vibracional do ânodo de grafite
A vibração faz com que o pó apresente uma forma de pilha mais compacta, sendo a massa por unidade de volume medida. É um indicador importante para medir o material ativo, o volume da bateria de iões de lítio é limitado, se a densidade de vibração for elevada, a massa de material ativo por unidade de volume é elevada, a capacidade de volume é elevada.
Densidade compactada do ânodo de grafite
Principalmente para a peça do pólo, refere-se à densidade do material ativo do ânodo e do aglutinante, etc., transformados na peça do pólo, após a laminagem, densidade compactada = densidade da superfície / (a espessura da peça do pólo após a moagem menos a espessura da folha de cobre).
A densidade de compactação está intimamente relacionada com a capacidade específica da peça do pólo, a eficiência, a resistência interna e o desempenho do ciclo da bateria. Quanto mais elevada for a densidade de compactação, mais material ativo por unidade de volume, maior será a capacidade.
No entanto, ao mesmo tempo, os poros serão reduzidos, o desempenho do eletrólito absorvente piora, a molhabilidade é reduzida, a resistência interna aumenta e o ião de lítio é difícil de ser incorporado e desalojado, em vez de ser desfavorável ao aumento da capacidade. Factores que afectam a densidade de compactação: o tamanho, a distribuição e a morfologia das partículas têm um efeito.
Densidade real do ânodo de grafite
O peso do material sólido por unidade de volume do material de um ânodo de grafite num estado absolutamente denso (excluindo os vazios internos). Uma vez que a densidade real é medida no estado denso, será mais elevada do que a densidade vibrada. Geralmente, a densidade real > densidade compactada > densidade vibrada.
Capacidade específica da primeira carga/descarga
Durante o primeiro processo de carregamento da bateria de iões de lítio, com a incorporação de iões de lítio na superfície do material do ânodo de grafite, as moléculas de solvente no eletrólito são co-incorporadas, e a película de passivação SEI é formada por decomposição na superfície do material do ânodo de grafite. Só depois de a superfície do ânodo de grafite estar completamente coberta pela película SEI, as moléculas de solvente não podem ser incorporadas e a reação é interrompida.
A geração de película SEI consome uma parte dos iões de lítio, que não podem ser deslocados da superfície do ânodo durante o processo de descarga, reduzindo assim a capacidade específica da primeira descarga.
Primeira eficiência de coulomb
Um indicador importante do desempenho dos materiais de ânodo de grafite é a sua eficiência de primeira carga/descarga, também conhecida como eficiência de primeira coulomb. Durante o processo de carga e descarga, alguns iões de lítio são destacados do elétrodo positivo e incorporados no ânodo, mas não podem regressar ao elétrodo positivo para participar no ciclo de carga e descarga, resultando na primeira eficiência coulombiana <100%.
A razão pela qual esta parte dos iões de lítio não pode regressar ao elétrodo positivo: (1) a existência de uma parte de lítio incorporado irreversível, (2) a formação de película SEI na superfície do ânodo, a película SEI é um fator importante que afecta a eficiência de Coulomb.
Como a película SEI se forma principalmente na superfície dos materiais do elétrodo, a área específica da superfície dos materiais do elétrodo afecta diretamente a área de formação da película SEI, quanto maior for a área específica da superfície, maior será a área de contacto com o eletrólito e maior será a área de formação da película SEI.
Acredita-se geralmente que a formação de uma película SEI estável é benéfica para o carregamento e descarregamento da bateria, e que o tipo de película SEI instável é prejudicial para a reação, que consumirá continuamente o eletrólito, engrossará a espessura da película SEI e aumentará a resistência interna.
Desempenho do ciclismo
Em termos de desempenho em ciclos, a película SEI terá um certo impedimento à difusão de iões de lítio e, com o aumento do número de ciclos, a película SEI continuará a cair, a descolar e a depositar-se na superfície do ânodo, resultando num aumento gradual da resistência interna do ânodo de grafite, o que provocará a acumulação de calor e a perda de capacidade.
Desempenho de ampliação do ânodo de grafite
A difusão dos iões de lítio nos materiais anódicos de grafite é altamente direcional, ou seja, só pode ser inserida perpendicularmente à face final do aspeto do eixo C do cristal de grafite. Os materiais do ânodo de grafite com pequenas partículas e elevada área de superfície específica têm um melhor desempenho de multiplicidade. Além disso, a resistência da superfície do elétrodo (provocada pela película SEI) e a condutividade do elétrodo também afectam o desempenho da multiplicidade.
Tal como o ciclo de vida e a expansão, o ânodo isotrópico com muitos canais de transporte de iões de lítio resolve o problema de um menor número de entradas para a incorporação e desincorporação e de uma baixa taxa de difusão na estrutura anisotrópica, o que também é útil para o carregamento e descarregamento a alta corrente.
Propriedades de expansão
A expansão e o ciclo de vida estão positivamente correlacionados. Depois de o ânodo de grafite se expandir, (1) causará deformação do núcleo, microfissuras nas partículas do ânodo, rutura e reorganização da película SEI, consumo de eletrólito e deterioração do desempenho do ciclo;
(2) O separador de baterias de lítio será espremido, especialmente na borda em ângulo reto das alças, o que é mais grave, e é muito fácil causar micro-circuito curto ou precipitação de micro-lítio metálico com o ciclo de carga e descarga.
A quantidade de expansão está relacionada com a orientação do ânodo de grafite, orientação = I004/I110, que pode ser calculada pelos dados XRD, o material anódico de grafite anisotrópico tende a expandir a rede para a mesma direção (a direção do eixo C dos cristais de grafite) durante o processo de incorporação de lítio, o que levará a uma maior expansão do volume da bateria.
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