10 технічних показників графітового анода для літієвої батареї

Питома поверхня графітового анода

Відноситься до площі поверхні, що припадає на одиницю маси об'єкта, чим менші частинки, тим більшою буде питома поверхня.

Анод з дрібними частинками і високою питомою поверхнею має більше каналів і коротші шляхи для міграції іонів літію, тому продуктивність кратності краща, але через велику площу контакту з електролітом, площа для формування плівки SEI також велика, і ефективність першого разу буде нижчою.

Великі частинки, навпаки, мають перевагу в більшій щільності ущільнення. Питома поверхня графітового анодного матеріалу менше 5 м2 /г є доцільною.

Гранулометричний склад графітового аноду

Вплив розміру частинок на електрохімічні властивості проявляється в тому, що розмір частинок анодного матеріалу безпосередньо впливає на густину коливань матеріалу, а також на питому поверхню матеріалу. Величина густини коливань безпосередньо впливає на об'ємну густину енергії матеріалу.

При однаковому об'ємі заповнення деталей, чим більший розмір частинок матеріалу, чим ширший розподіл частинок, чим менша в'язкість суспензії, тим більше сприяє підвищенню вмісту твердої фази і зменшенню складності нанесення покриття.

Крім того, коли гранулометричний склад матеріалу графітового анода широкий, дрібні частинки в системі можуть заповнювати проміжки між великими частинками, що сприяє збільшенню щільності ущільнення полюсного елемента і поліпшенню об'ємної щільності енергії акумулятора.

Характерними параметрами гранулометричного складу матеріалу графітового анода є D50, D10, D90 і Dmax, з яких D50 представляє значення розміру частинок, що відповідає накопиченій кількості 50% на кумулятивній кривій розподілу за розміром частинок, яку можна розглядати як середній розмір частинок матеріалу.

Крім того, ширина гранулометричного складу матеріалу може бути виражена через K90, K90=(D90-D10)/D50, чим більше K90, тим ширший розподіл. Розмір частинок графітового анодного матеріалу в основному визначається методом його приготування, а вимоги до його гранулометричних параметрів у графітовому стандарті становлять D50 (близько 20 мкм), Dmax (≤70 мкм) і D10 (близько 10 мкм).

Вібраційна густина графітового анода

Завдяки вібрації порошок набуває більш компактної форми ворсу, вимірюється маса на одиницю об'єму. Це важливий показник для вимірювання активного матеріалу, об'єм літій-іонної батареї обмежений, якщо щільність вібрації висока, маса активного матеріалу на одиницю об'єму висока, об'ємна ємність висока.

Щільність ущільненого графітового анода

В основному для полюсного шматка, відноситься до щільності анодного активного матеріалу і сполучного і т.д., виготовленого в полюсному шматку, після прокатки, ущільнена щільність = поверхнева щільність / (товщина полюсного шматка після фрезерування мінус товщина мідної фольги).

Щільність ущільнення тісно пов'язана з питомою ємністю полюсного елемента, ефективністю, внутрішнім опором і тривалістю циклу роботи акумулятора. Чим вища щільність ущільнення, тим більше активного матеріалу в одиниці об'єму, тим більша ємність.

Однак при цьому пори зменшуються, ефективність поглинання електроліту погіршується, змочуваність знижується, внутрішній опір збільшується, а іон літію важче вбудовувати і витісняти, замість того, щоб сприяти збільшенню ємності. Фактори, що впливають на щільність ущільнення: розмір, розподіл і морфологія частинок.

Істинна щільність графітового анода

Вага твердого матеріалу в одиниці об'єму матеріалу графітового анода в абсолютно щільному стані (за винятком внутрішніх пустот). Оскільки істинна густина вимірюється в щільному стані, вона буде вищою за вібраційну густину. Як правило, істинна щільність > ущільнена щільність > вібраційна щільність.

Питома ємність першого заряду/розряду

Під час першого процесу заряджання літій-іонного акумулятора, коли іони літію вбудовуються в поверхню графітового анодного матеріалу, молекули розчинника в електроліті також вбудовуються, а плівка пасивації SEI утворюється шляхом розкладання на поверхні графітового анодного матеріалу. Тільки після того, як поверхня графітового анода повністю покрита плівкою SEI, молекули розчинника не можуть вбудовуватися, і реакція зупиняється.

На генерацію SEI-плівки витрачається частина іонів літію, які не можуть бути витіснені з поверхні анода в процесі розряду, що знижує питому ємність першого розряду.

Перша ефективність кулонів

Важливим показником продуктивності графітових анодних матеріалів є їхня ефективність першого заряду/розряду, також відома як перша кулонівська ефективність. Під час процесу заряджання і розряджання деякі іони літію відриваються від позитивного електрода і вбудовуються в анод, але не можуть повернутися до позитивного електрода для участі в циклі заряджання і розряджання, що призводить до першої кулонівської ефективності <100%.

Причина, чому ця частина іонів літію не може повернутися до позитивного електроду: (1) існування частини незворотного вбудованого літію, (2) утворення плівки SEI на поверхні анода, плівка SEI є важливим фактором, що впливає на кулонівську ефективність.

Оскільки плівка SEI в основному утворюється на поверхні електродних матеріалів, питома поверхня електродних матеріалів безпосередньо впливає на площу утворення плівки SEI: чим більша питома поверхня, тим більша площа контакту з електролітом і тим більша площа утворення плівки SEI.

Прийнято вважати, що утворення стабільної плівки SEI корисно для зарядки і розрядки акумулятора, а нестабільна плівка SEI шкідлива для реакції, яка буде безперервно споживати електроліт, потовщувати товщину плівки SEI і збільшувати внутрішній опір.

Ефективність їзди на велосипеді

З точки зору циклічних характеристик, плівка SEI буде мати певну перешкоду для дифузії іонів літію, і зі збільшенням кількості циклів плівка SEI буде продовжувати відпадати, відшаровуватися і осідати на поверхні анода, що призведе до поступового збільшення внутрішнього опору графітового анода, що призведе до накопичення тепла і втрати ємності.

Ефективність збільшення графітового анода

Дифузія іонів літію в графітових анодних матеріалах є високоспрямованою, тобто вона може відбуватися лише перпендикулярно до торцевої грані осі С кристала графіту. Графітові анодні матеріали з дрібними частинками і високою питомою поверхнею мають кращі показники кратності. Крім того, поверхневий опір електрода (спричинений плівкою SEI) і провідність електрода також впливають на показники кратності.

Так само, як і термін служби та розширення циклу, ізотропний анод з великою кількістю каналів для транспортування іонів літію вирішує проблему меншої кількості входів для вбудовування і від'єднання та низької швидкості дифузії в анізотропній структурі, що також корисно для заряджання і розряджання при високих струмах.

Властивості розширення

Розширення і термін служби позитивно корелюють між собою. Після того, як графітовий анод розшириться, (1) це призведе до деформації серцевини, мікротріщин в частинках анода, розриву і реорганізації плівки SEI, споживання електроліту і погіршення продуктивності циклу;

(2) У цьому документі зазначено, що  сепаратор літієвих батарей будуть стиснуті, особливо під прямим кутом, що є більш серйозним, і дуже легко викликати мікрокоротке замикання або мікроосадження літієвих металів під час циклу заряджання і розряджання.

Величина розширення пов'язана з орієнтацією графітового анода, орієнтація = I004/I110, яку можна розрахувати за даними XRD, анізотропний матеріал графітового анода має тенденцію до розширення решітки в одному напрямку (напрямок осі С кристалів графіту) під час процесу впровадження літію, що призведе до більшого об'ємного розширення акумулятора.

Схожі статті про літій-іонний анод також можна подивитися твердий вуглецевий анод, анод на основі кремнію, топ-10 компаній, що виробляють анодні матеріали на основі кремнію.