Vývoj morfologie a struktury grafitových anodů během dlouhodobých bateriových cyklů

V současných lithium-iontových bateriích jsou běžně používané anodové materiály pro lithiové baterie rozděleny především na anodové materiály na bázi uhlíku, titanát lithia a kompozitní materiály na bázi křemíku. Vzhledem k omezení hustoty energie lithiového titanátu, expanze a méněcennost kompozitních materiálů na bázi křemíku Nebyla dobře vyřešena a anodové materiály na bázi uhlíku stále zabírají hlavní část anod lithiových baterií.

Uhlíkové anodové materiály se skládají převážně z grafitu, tvrdého uhlíku a měkkých uhlíkových anod. Grafit je běžně používaný anodový materiál. Grafit má výhody vysoké elektronické vodivosti, velkého lithium-iontového difúzního koeficientu, malé změny objemu před a po vložení lithia, vysoké kapacity vložení lithia a nízkého potenciálu vložení lithia atd., a stal se současným běžným komerčním anodovým materiálem lithium-iontové baterie. Každý ví, že lithiová baterie je sekundární baterie, která pracuje ve stylu "houpacího křesla". Pokud se lithium-iontové ionty přemísťují tam a zpět mezi grafitovou negativní elektrodou a pozitivním elektrodovým materiálem bez ztráty, pak to bude nejideálnější stav, ale faktem je, že je ovlivněna grafitovou vrstvou. Lithiové baterie budou postupně zeslabovat a zhoršovat během používání v důsledku vlivu více faktorů, jako je tvarová struktura, krystalová struktura katodového materiálu, iontová vodivost elektrolytu a teplota, dokud se nestane neplatným.

Jak se v procesu dlouhodobé cyklistiky změní morfologie a struktura grafitové anody lithiových baterií? Pozitivní elektrodový materiál je oxid lithného kobaltu a negativní elektrodový materiál je grafit. Po přípravě lithiové baterie se na ní provede dlouhodobý cyklus a vzorky se odebírají pro detekci a analýzu v různých uzlech cyklu.

1. Vývoj morfologie grafitové anody během dlouhodobé cyklistiky

Zkouška cyklu lithiové baterie byla provedena po dobu 1000 týdnů, respektive nesmontované (a), aktivované (b), 600 cyklů (c), 700 cyklů (d), 800 cyklů (e), 900 cyklů (f), 1000 cyklů ( g) Záporný pól je analyzován sem a výsledek je znázorněn na obrázku 1:

Obrázek 1. SEM obraz grafitové anody po různých cyklech (5000 krát)

Je vidět, že grafitové materiály, ať už nesmontované, aktivované nebo recyklované, se skládají z částic v rozmezí od stovek nanometrů až po desítky mikrometrů a distribuce velikosti částic není jednotná a v zvětšeném obrazu 5000 krát se nenachází žádný grafitový materiál. Vzhled se změní. V 50 000 krát zvětšeném obrazu (obrázek 2) má nesmontovaný grafit čistý povrch a pouze aktivovaný grafitový povrch začíná vykazovat látky podobné filmu a tyto filmové látky také existují na povrchu grafitu během následujících cyklů nabití a vypouštění. Látky. Po testu a analýze EDS bylo zjištěno, že nesmontovaná grafitová elektroda obsahovala pouze prvek C. Kromě prvku C se však prvek O objevil v grafitové elektrodě pouze po aktivaci a různých cyklech. Tento výsledek ukazuje, že pouze aktivovaná a kolovaná grafitová elektroda generuje materiál obsahující O, což dokazuje, že filmový materiál je FILM SEI.

Obrázek 2. SEM obrazy grafitové anody po různých cyklech (50 000krát)

2. Vývoj struktury grafitové anody během dlouhodobé cyklistiky

Možné změny grafitové anody při dlouhodobém cykládě se odrážejí především ve skle grafitové vrstvy a zvýšení rozteče vrstev. Testy XRD byly provedeny na nesmontovaných grafitových negativních elektrodách po 600, 700, 800, 900 a 1000 cyklech a výsledky jsou znázorněny na obrázku 3. Podle Braggovy rovnice a Scherrerova vzorce lze vypočítat mezivrstvou rozteč d002, stupeň grafitizace, velikost zrna Lc a velikost zrna La grafitového materiálu ve směru (002) krystalové roviny.

Obrázek 3. XRD vzory grafitové anody po různých cyklech

Obrázek 4 znázorňuje křivku d002 a grafitizační stupeň grafitové elektrody s počtem cyklů. Během celých 1000 cyklů nabíjení se stupeň d002 a grafitizace materiálu grafitové elektrody změnily jen velmi málo, ale d002 vykazovala rostoucí trend a grafitizační stupeň vykazoval klesající trend.

Obrázek 4. Grafit d002 a grafitizace stupeň změnit s počtem cyklů

Obrázek 5 je graf velikosti krystalu Lc a La materiálu grafitové elektrody jako funkce počtu cyklů. Lc v procesu ne recirkulace na 1000 krát ukazuje postupný trend poklesu, La nemá žádné zjevné změny pravidlo, a jeho hodnota kolísá v rozmezí 47 ~ 49 nm

Obrázek 5. Velikost grafitového zrna Lc a La se mění s počtem cyklů

Byla pozorována morfologie grafitového záporného pólu během dlouhodobého cyklování a výsledek je znázorněn na obrázku 6. Aktivovaná grafitová záporná elektroda je dobře spojena a stav povrchu je normální, ale materiál elektrody se postupně objevuje na okraji a navíjecí záhyb grafitové negativní elektrody po 100 a 1000 cyklech. Vzhledem k tomu, že reakční aktivita na konci grafitové hrany je vyšší než aktivita v základní rovině, je boční reakce na konci okraje intenzivnější, takže grafitový materiál s větší pravděpodobností spadne. Během celého dlouhodobého nabíjecího a vybíjecího cyklu ukazuje hodnota Lc grafitového materiálu klesající trend a d002 vykazuje rostoucí trend. Hodnota Lc je součin d002 a počet grafitových vloček v zrnu, takže počet grafitových vloček v zrnu vykazuje klesající trend. Takové strukturální změny se makroskopicky projevují jako prolévání grafitového materiálu.

Obrázek 6. Digitální fotografie grafitové anody pouze po aktivaci, 100 cyklů a 1000 cyklů

Během používání lithiových baterií dochází k rozpadu kapacity často rychleji a strukturální změna grafitové anody je jedním z jejích hlavních faktorů. Můžeme také posoudit přiměřenou životnost lithiové baterie analýzou změn ve struktuře a morfologii grafitové negativní elektrody. Přestaňte jej používat, pokud je v blízkosti tohoto parametru, aby se zabránilo odlupování negativního elektrodového grafitu z měděné fólie a z působení bezpečnostních rizik.