Вследствие глобального энергетического перехода и «двойных углеродных» стратегий, литий-ионные аккумуляторы являются основными компонентами электромобилей и систем накопления энергии. Повышение их производительности и снижение стоимости являются ключевыми приоритетами отрасли. Материалы отрицательного электрода, «энергетическое сердце» литиевых аккумуляторов, определяют ёмкость, срок службы и безопасность. Традиционные графитовые аноды, приближающиеся к пределу ёмкости в 372 мА·ч/г, не могут удовлетворить требованиям высокой плотности энергии. Хотя новые материалы, такие как кремниевые и твёрдые углеродные электроды, демонстрируют большие перспективы, они сталкиваются с такими проблемами, как значительное расширение объёма и низкая электропроводность. В этом контексте Карбонат кальция в материалах отрицательных электродов привлекает всё большее внимание. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам этот традиционный неорганический материал находит инновационные пути развития благодаря разработке материалов и технологическим достижениям для усовершенствования анодных систем нового поколения.
Физико-химические характеристики и функциональные преимущества карбоната кальция
Карбонат кальция — распространённый природный минерал, известный своей низкой стоимостью, экологичностью и высокой химической стабильностью. Его кристаллическая структура содержит большое количество вакансий, которые могут быть… модифицированный или в составе композита для обеспечения проводимости, адсорбции ионов и структурной поддержки. Карбонат кальция в материалах отрицательных электродов, его ценность заключается в нескольких основных функциях:
- Структурное регулирование: Карбонат кальция действует как шаблон, создавая пористые структуры. Это улучшает контакт анода с электролитом и сокращает пути диффузии ионов лития.
- Оптимизация интерфейса: Он адсорбирует побочные продукты, такие как HF, уменьшая чрезмерный рост SEI-пленки. Это способствует формированию более плотного проводящего межслойного слоя.
- Буферизация объема: В анодах на основе кремния он смягчает расширение объема, предотвращая измельчение электрода.
- Улучшение проводимости: Галогенированный или покрытый углеродом карбонат кальция улучшает электронную проводимость, снижая внутреннее сопротивление.
Инновационные применения карбоната кальция в материалах отрицательных электродов
Образование пор в твердых углеродных анодах
Твёрдый углерод используется в натрий-ионных и низкотемпературных литий-ионных аккумуляторах. Его обратимая ёмкость и эффективность ограничены. Используя полиакрилонитрил и карбонат кальция, исследователи создали пористые углеродные микросферы. Процесс включал эмульсионную полимеризацию, предварительное окисление, карбонизацию и кислотное травление. Площадь поверхности материала достигла 800 м²/г. После травления процент микропор увеличился с 13,47% до 28,6%. Ёмкость при первом заряде достигла 620 мА·ч/г, сохранившись на уровне 520 мА·ч/г после 50 циклов, что на 65% лучше. Карбонат кальция разлагается на CO₂, образуя нанопоры, которые улучшают хранение лития и снимают напряжение.
Объемная буферизация в анодах на основе кремния
Кремниевые аноды обладают ёмкостью 4200 мА·ч/г, но подвержены объёмному расширению 300%, что приводит к распылению. Композит Si@CaCO₃@C был разработан с использованием нанокремния, карбоната кальция и лимонной кислоты. Высокоэнергетическое измельчение в шаровой мельнице и карбонизация создали трёхмерную структуру. Слой карбоната кальция демпфирует механическое напряжение, а углеродный слой обеспечивает электронную проводимость. Композит сохранил ёмкость 82% после 500 циклов при 1°C, что на 40% лучше, чем у чистого кремния.
Стабильность интерфейса в литий-металлических батареях
Литий-металлические аккумуляторы подвержены росту дендритов и разложению электролита, что может привести к короткому замыканию. В качестве добавки в электролит был добавлен нанокарбонат кальция. Он адсорбирует HF, подавляя рост SEI. Ионы Ca²⁺ образуют электростатический экран, способствуя равномерному осаждению лития. При использовании нано-CaCO₃ 5% кулоновская эффективность увеличилась с 82% до 96%, а срок службы увеличился в три раза. Температура разложения электролита повысилась на 50 °C, что позволило достичь рейтинга UL94 V-0.
Разделительные покрытия для термостойкости
Полиолефиновые сепараторы дают усадку при 135 °C, вызывая короткое замыкание. Хлорированный карбонат кальция вводит ионы Cl⁻, увеличивая концентрацию носителей заряда. Термическая усадка сепаратора с покрытием снизилась с 80% до 5%. Ионная проводимость увеличилась на 30%, что обеспечивает быструю зарядку 4C.
Функциональная революция карбоната кальция
Карбонат кальция превращается из наполнителя в функциональную добавку:
- Армирование усов: Усы карбоната кальция образуют проводящие сети, повышая прочность и проводимость электрода.
- Эффект квантовой точки: Квантовые точки карбоната кальция усиливают адсорбцию ионов лития посредством поверхностного плазмонного резонанса.
- Биомиметический дизайн: Вдохновленные структурой морских ракушек, разрабатываются самовосстанавливающиеся аноды, позволяющие продлить срок службы аккумуляторов.
Заключение
Применение карбоната кальция в материалах для отрицательных электродов отражает инновации в области материалов и межотраслевое сотрудничество. Этот минерал предлагает недорогие и высокоэффективные решения для глобального энергетического перехода. ЭПИЧЕСКИЙ ПорошокКомпания, специализирующаяся на обработке ультратонких порошков, расширяет эти возможности, используя передовое оборудование для производства анодов для литиевых аккумуляторов. Их решения включают в себя беспыльную подачу, сверхтонкое измельчениеи классификация материалов, таких как графит и углеродные композиты. Оптимизируя качество порошка карбоната кальция — обеспечивая высокую белизну, тонкость до 3000 меш и модификацию поверхности — EPIC обеспечивает лучшую дисперсность и производительность в электродах аккумуляторов. Это способствует масштабируемому и эффективному производству систем накопления энергии нового поколения.