Анодные материалы имеют решающее значение для литий-ионных аккумуляторов и напрямую влияют на производительность аккумулятора. Графит, наиболее используемый анод на основе углерода, имеет низкую емкость и плохую стабильность. Его безопасность и производительность трудно улучшить.
Целью исследований является поиск новых материалов на основе углерода для замены коммерческих анодов.
Среди углеродных материалов, пористый углерод имеет большую площадь поверхности и контролируемую морфологию. Его богатая пористая структура и хорошая проводимость повышают стабильность и снижают затраты на синтез. Пористый углерод широко используется в хранении энергии и катализе. Его потенциал в литиевых батареях значителен — давайте рассмотрим его подробнее.
Преимущества пористых углеродных материалов для литиевых аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы используют ионы лития в качестве среды передачи энергии, а электроды представляют собой встроенные электрохимические механизмы хранения лития. При зарядке ионы лития генерируются на положительном электроде аккумулятора. Образованные ионы лития деинтеркалируются с положительного электрода и перемещаются к отрицательному электроду через электролит. Углеродный материал в качестве отрицательного электрода имеет слоистую структуру и имеет множество микропор. Ионы лития, которые достигают отрицательного электрода, внедряются в микропоры углеродного материала.
Чем больше ионов лития внедрено, тем выше зарядная емкость. В это время отрицательный электрод богат литием, а положительный электрод беден литием. В то же время компенсационный заряд электронов будет подаваться на углеродный отрицательный электрод из внешней цепи, тем самым обеспечивая баланс заряда отрицательного электрода. Во время разряда ионы лития покидают анод и снова вставляются в катод через электролит.
В качестве анода литий-ионного аккумулятора большая площадь поверхности пористого углерода связывает больше ионов лития для более высокой емкости. Его сложная структура пор обеспечивает эффективные пути диффузии и сокращает расстояние диффузии ионов лития. Дефекты, такие как вакансии и легирование гетероатомами, служат местами хранения лития. Во время вставки/извлечения лития механическое напряжение от изменения объема минимально, что обеспечивает хорошую стабильность цикла. Таким образом, пористый углерод часто демонстрирует лучшие электрохимические характеристики, чем традиционный графит.
Каков оптимальный размер пор для пористого углерода?
Пористый углерод можно разделить на три типа в зависимости от размера пор: микропористый углерод (размер пор менее 2 нм), мезопористый углерод (размер пор от 2 до 50 нм) и макропористый углерод (размер пор более 50 нм).
Микропористый углерод
Микропористый углерод имеет высокую удельную площадь поверхности и демонстрирует высокую удельную емкость в качестве электродного материала. Исследователи приготовили микропористый углерод с высокой площадью поверхности, используя метод шаблонизации.
В качестве анода литий-ионного аккумулятора он показал большую необратимую емкость (2547 мА·ч/г). Это связано с тем, что большая площадь поверхности увеличивает область формирования SEI.
Кроме того, он обеспечивает больше мест связывания для кислород- и водородсодержащих функциональных групп. Эти функциональные группы подвергаются необратимым реакциям с ионами лития, что приводит к высокой необратимой емкости. Значительное падение емкости наблюдается в начальных циклах. Поэтому одноструктурный микропористый углерод не является идеальным анодным материалом для литий-ионных аккумуляторов.
Мезопористый углерод
Мезопористый углерод также может использоваться в качестве анодного материала литий-ионных аккумуляторов.
Используя упорядоченный кремний в качестве шаблона, можно синтезировать упорядоченный мезопористый углерод (CMK-3). Он демонстрирует высокую обратимую емкость и превосходные характеристики циклирования заряда-разряда. После первого цикла емкость заряда-разряда остается стабильной. Это связано с тем, что упорядоченная пористая структура минимизирует сопротивление переносу ионов, что приводит к выдающейся стабильности циклирования.
Макропористый углерод
Упорядоченный макропористый углерод, полученный темплатным методом, также может быть использован в качестве анодного материала литий-ионных аккумуляторов.
Используя инвертированные кремниевые опалы в качестве шаблона, можно синтезировать упорядоченный макропористый углерод с трехмерной взаимосвязанной структурой пор и графитизированными стенками пор методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) с использованием бензола.
Как анод литий-ионного аккумулятора, он сохраняет емкость 320 мА·ч/г после 60 циклов при 200 мА/г, со степенью сохранения емкости 98%.
Используя полиметилметакрилат (ПММА) в качестве шаблона, можно синтезировать трехмерный упорядоченный макропористый материал с помощью резорцин-формальдегидного золь-гель метода.
В качестве анодного материала он достигает емкости 260 мА·ч/г при 1000 мА/г, сохраняя емкость 83% после 30 циклов.
Градуированный пористый
Однако пористые углеродные материалы с однопористой структурой неизбежно имеют некоторые недостатки.
Для улучшения их производительности иерархический пористый углерод, который объединяет взаимосвязанные поры разных размеров в градиентной структуре, стал объектом исследований. Объединенные преимущества следующие:
- Микропоры обеспечивают высокую удельную площадь поверхности, улучшая способность сохранять заряд и увеличивая емкость литий-ионного аккумулятора.
- Мезопоры создают быстрые транспортные каналы для ионов электролита, улучшая инфильтрацию электролита.
- Макропоры сокращают расстояние диффузии ионов, облегчая перенос ионов и обеспечивая сохранение высокой емкости в условиях сильного тока.
Например:
Простым нагреванием карбоната лития и гидрида лития был синтезирован губчатый иерархический пористый углерод (губчатый ГПЦ) со сверхвысокой удельной площадью поверхности (1049 м²/г) экологически безопасным и эффективным способом, как показано на рисунке.
При использовании в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов губчатый HPC демонстрирует:
Сверхвысокая обратимая емкость (1750 мА·ч/г при 0,2 А/г), исключительная циклическая стабильность (сохранение емкости ≈100% после 2000 циклов), выдающиеся скоростные характеристики.
Иерархический пористый углерод также может быть модифицирован посредством гетероатомного легирования, при котором некоторые атомы углерода в пористой структуре заменяются другими атомами. Используя разницу в электроотрицательности между углеродом и чужеродными атомами, эта модификация регулирует распределение заряда и образование дефектов внутри пористого углерода, улучшая его физико-химические свойства.
Пористый углерод имеет потенциальные области применения
В ходе исследований ученые разработали пористую углеродную мембрану, добавив Fe3C для формирования сотовых и пальцеобразных пор. Эта пористая углеродная мембрана достигает высокой удельной площади поверхности. Она может напрямую служить как активным материалом, так и токосъемником. Большие поры обеспечивают достаточно внутреннего пространства, чтобы выдерживать изменения объема во время заряда/разряда. Асимметричная пористая углеродная мембрана обеспечивает высокоскоростной перенос электронов и способствует диффузии электролита и ионов лития.
Хотя пористый углерод может не сравниться по гибкости и механическим свойствам с такими материалами, как углеродные нанотрубки или графен, он является идеальным выбором для электродов с высокой массой нагрузки.
Будущие исследования могут изучить комбинирование пористого углерода с графеном или углеродными нанотрубками. Это может привести к созданию превосходных гибких токосъемников литий-ионных аккумуляторов для носимых устройств.
Заключение
Ученые полагают, что пористый углерод имеет большой потенциал для широкого использования в самонесущих электродах и токосъемниках. Это связано с тем, что разработка литий-ионных аккумуляторов следующего поколения будет сосредоточена на более высокой емкости, более длительном сроке службы, большей экологичности и более низкой стоимости. Это потребует от токосъемников более стабильных электрохимических характеристик, лучшей проводимости, меньшего веса и более низкой стоимости. Более того, будущие носимые устройства потребуют токосъемников с гибкими структурами. Поэтому, по сравнению с металлическими токосъемниками, токосъемники из наноуглерода имеют гораздо более широкие перспективы.
ЭПИЧЕСКИЙ порошок
Эпический порошок, Более 20 лет опыта работы в отрасли сверхтонких порошков. Активно продвигаем будущее развитие сверхтонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации сверхтонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! Наша команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимизации ценности вашей обработки порошков. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошков!
