Anot malzemeleri lityum iyon piller için kritik öneme sahiptir ve pil performansını doğrudan etkiler. En çok kullanılan karbon bazlı anot olan grafit, düşük kapasiteye ve zayıf stabiliteye sahiptir. Güvenliği ve hız performansını iyileştirmek zordur.
Ticari anotların yerini alacak yeni karbon bazlı malzemelerin bulunması araştırma odaklarımızdan biridir.
Karbon malzemeler arasında, gözenekli karbon yüksek yüzey alanına ve kontrol edilebilir morfolojiye sahiptir. Zengin gözenek yapısı ve iyi iletkenliği kararlılığı artırır ve sentez maliyetlerini azaltır. Gözenekli karbon enerji depolama ve katalizde yaygın olarak kullanılır. Lityum pillerdeki potansiyeli önemlidir—daha fazla inceleyelim.
Lityum piller için gözenekli karbon malzemelerin avantajları
Lityum iyon piller, enerji iletim ortamı olarak lityum iyonları kullanır ve elektrotlar gömülü elektrokimyasal lityum depolama mekanizmalarıdır. Şarj sırasında, lityum iyonları pilin pozitif elektrodunda üretilir. Üretilen lityum iyonları pozitif elektrottan deinterkalasyona uğrar ve elektrolit aracılığıyla negatif elektroda hareket eder. Negatif elektrot olarak karbon malzeme katmanlı bir yapıya sahiptir ve birçok mikro gözenek içerir. Negatif elektroda ulaşan lityum iyonları karbon malzemenin mikro gözeneklerine gömülüdür.
Ne kadar çok lityum iyonu gömülürse, şarj kapasitesi o kadar yüksek olur. Bu sırada, negatif elektrot lityum açısından zengindir ve pozitif elektrot lityum açısından fakirdir. Aynı zamanda, elektronların telafi yükü, harici devreden karbon negatif elektroda sağlanacak ve böylece negatif elektrodun yük dengesi sağlanacaktır. Deşarj sırasında, lityum iyonları anottan ayrılır ve elektrolit aracılığıyla katoda yeniden girer.
Lityum iyon pil anodu olarak gözenekli karbonun yüksek yüzey alanı daha yüksek kapasite için daha fazla lityum iyonu bağlar. Karmaşık gözenek yapısı verimli difüzyon yolları sağlar ve lityum iyon difüzyon mesafesini kısaltır. Boşluklar ve heteroatom katkılama gibi kusurlar lityum depolama alanları olarak hizmet eder. Lityum yerleştirme/çıkarma sırasında hacim değişimlerinden kaynaklanan mekanik stres minimumdur ve bu da iyi bir çevrim kararlılığı sağlar. Bu nedenle gözenekli karbon genellikle geleneksel grafitten daha iyi elektrokimyasal performans sergiler.
Gözenekli karbon için optimum gözenek boyutu nedir?
Gözenekli karbon, gözenek boyutuna göre üç türe ayrılabilir: mikrogözenekli karbon (gözenek boyutu 2 nm'den küçük), mezogözenekli karbon (gözenek boyutu 2~50 nm arasında) ve makrogözenekli karbon (gözenek boyutu 50 nm'den büyük).
Mikro gözenekli karbon
Mikro gözenekli karbon yüksek özgül yüzey alanına sahiptir ve elektrot malzemesi olarak yüksek özgül kapasite sergiler. Araştırmacılar, şablonlama yöntemi kullanarak yüksek yüzey alanlı mikro gözenekli karbon hazırladılar.
Lityum iyon pil anodu olarak, büyük bir geri döndürülemez kapasite (2547 mA·h/g) gösterdi. Bunun nedeni, yüksek yüzey alanının SEI oluşum alanını artırmasıdır.
Ek olarak, oksijen ve hidrojen içeren fonksiyonel gruplar için daha fazla bağlanma alanı sağlar. Bu fonksiyonel gruplar lityum iyonlarıyla geri döndürülemez reaksiyonlara girerek yüksek geri döndürülemez kapasiteye yol açar. İlk döngülerde önemli kapasite azalması gözlemlenir. Bu nedenle, tek yapılı mikro gözenekli karbon ideal bir lityum iyon pil anot malzemesi değildir.
Mezogözenekli karbon
Mezogözenekli karbon aynı zamanda lityum-iyon pil anot malzemesi olarak da kullanılabilir.
Düzenli silikayı şablon olarak kullanarak düzenli mezogözenekli karbon (CMK-3) sentezlenebilir. Yüksek geri dönüşüm kapasitesi ve mükemmel şarj-deşarj döngüsü performansı sergiler. İlk döngüden sonra şarj-deşarj kapasitesi sabit kalır. Bunun nedeni, düzenli gözenekli yapının iyon taşıma direncini en aza indirmesi ve bunun sonucunda olağanüstü döngü kararlılığı sağlamasıdır.
Makrogözenekli karbon
Şablon yöntemi ile hazırlanan düzenli makrogözenekli karbon aynı zamanda lityum-iyon pil anot malzemesi olarak da kullanılabilir.
Ters silika opalleri şablon olarak kullanarak, 3 boyutlu birbirine bağlı gözenek yapısı ve grafitli gözenek duvarlarına sahip düzenli makro gözenekli karbon, benzen kullanılarak kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi ile sentezlenebilir.
Lityum-iyon pil anotu olarak, 200 mA/g'de 60 çevrimden sonra 320 mA·h/g kapasiteyi korur ve 98% kapasite tutma oranına sahiptir.
Polimetil metakrilat (PMMA) şablon olarak kullanılarak, resorsinol-formaldehit sol-jel yöntemi ile 3 boyutlu düzenli makro gözenekli bir malzeme sentezlenebilir.
Anot malzemesi olarak 1000 mA/g'de 260 mA·h/g kapasiteye ulaşıyor ve 30 çevrimden sonra 83% kapasite tutma özelliğine sahip oluyor.
Dereceli Gözenekli
Ancak tek gözenekli yapıya sahip gözenekli karbon malzemelerin bazı dezavantajları da kaçınılmazdır.
Performanslarını artırmak için, farklı boyutlardaki birbirine bağlı gözenekleri derecelendirilmiş bir yapıda birleştiren hiyerarşik gözenekli karbon bir araştırma odağı haline geldi. Birleşik avantajlar şunlardır:
- Mikro gözenekler yüksek özgül yüzey alanı sağlayarak şarj depolama kapasitesini artırır ve lityum iyon pil kapasitesini yükseltir.
- Mezogözenekler, elektrolit iyonları için hızlı taşıma kanalları oluşturarak elektrolit infiltrasyonunu iyileştirir.
- Makrogözenekler iyon difüzyon mesafelerini kısaltarak iyon taşınımını kolaylaştırır ve yüksek akım koşulları altında yüksek kapasiteli tutulmayı garantiler.
Örneğin:
Sadece lityum karbonat ve lityum hidrit ısıtılarak, ultra yüksek özgül yüzey alanına (1049 m²/g) sahip süngerimsi hiyerarşik gözenekli karbon (Sünger Benzeri HPC), şekilde görüldüğü gibi çevre dostu ve verimli bir şekilde sentezlendi.
Lityum iyon piller için anot malzemesi olarak kullanıldığında, Sünger benzeri HPC şunları sergiler:
Ultra yüksek geri dönüşümlü kapasite (0,2 A/g'de 1750 mA·h/g), Olağanüstü çevrim kararlılığı (2000 çevrimden sonra ≈100% kapasite tutma), Olağanüstü hız performansı.
Hiyerarşik gözenekli karbon, gözenekli yapıdaki bazı karbon atomlarının diğer atomlarla değiştirildiği heteroatom katkılama yoluyla da modifiye edilebilir. Karbon ve yabancı atomlar arasındaki elektronegatiflik farkından yararlanılarak, bu modifikasyon gözenekli karbon içindeki yük dağılımını ve kusur oluşumunu ayarlayarak fizikokimyasal özelliklerini iyileştirir.
Gözenekli karbonun potansiyel uygulamaları vardır
Araştırmada bilim insanları, petek ve parmak benzeri gözenekler oluşturmak için Fe3C ekleyerek gözenekli bir karbon membran geliştirdiler. Bu gözenekli karbon membran yüksek bir özgül yüzey alanına ulaşır. Hem aktif malzeme hem de akım toplayıcı olarak doğrudan hizmet verebilir. Büyük gözenekler, şarj/deşarj sırasında hacim değişikliklerine dayanacak kadar iç alan sağlar. Asimetrik gözenekli karbon membran yüksek hızlı elektron taşınması sunar ve elektrolit ve lityum iyon difüzyonunu destekler.
Gözenekli karbon, esneklik ve mekanik özellikler açısından karbon nanotüpler veya grafen gibi malzemelerle karşılaştırılamasa da, yüksek elektrot kütlesi yüklemesi için ideal bir seçimdir.
Gelecekteki araştırmalar gözenekli karbonu grafen veya karbon nanotüplerle birleştirmeyi araştırabilir. Bu, giyilebilir cihazlar için üstün esnek lityum iyon pil akımı toplayıcıları üretebilir.
Çözüm
Bilim insanları gözenekli karbonun kendi kendini destekleyen elektrotlarda ve akım toplayıcılarda yaygın kullanım için büyük bir potansiyele sahip olduğuna inanıyor. Bunun nedeni, yeni nesil lityum iyon pillerin geliştirilmesinin daha yüksek kapasiteye, daha uzun ömre, daha fazla çevre dostu olmaya ve daha düşük maliyete odaklanacak olmasıdır. Bu, akım toplayıcıların daha kararlı elektrokimyasal performansa, daha iyi iletkenliğe, daha hafif ağırlığa ve daha düşük maliyete sahip olmasını gerektirecektir. Dahası, gelecekteki giyilebilir cihazlar esnek yapılara sahip akım toplayıcıları gerektirecektir. Bu nedenle, metal akım toplayıcılarına kıyasla, nanokarbon akım toplayıcıları çok daha geniş bir bakış açısına sahiptir.
EPİK toz
Destansı Toz, Ultra ince toz endüstrisinde 20+ yıllık iş deneyimi. Ultra ince tozun gelecekteki gelişimini aktif olarak teşvik edin, ultra ince tozun ezilmesi, öğütülmesi, sınıflandırılması ve modifikasyon sürecine odaklanın. Ücretsiz danışmanlık ve özelleştirilmiş çözümler için bizimle iletişime geçin! Uzman ekibimiz, toz işleme değerinizin en üst düzeye çıkarılması için yüksek kaliteli ürünler ve hizmetler sunmaya kendini adamıştır. Epic Powder—Güvenilir Toz İşleme Uzmanınız!
