Vật liệu anode rất quan trọng đối với pin lithium-ion và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của pin. Graphite, anode gốc carbon được sử dụng nhiều nhất, có dung lượng thấp và độ ổn định kém. Độ an toàn và hiệu suất tốc độ của nó khó có thể cải thiện.
Trọng tâm nghiên cứu là tìm kiếm vật liệu mới gốc carbon để thay thế anot thương mại.
Trong số các vật liệu cacbon, cacbon xốp có diện tích bề mặt lớn và hình thái có thể kiểm soát được. Cấu trúc lỗ rỗng phong phú và độ dẫn điện tốt giúp tăng cường độ ổn định và giảm chi phí tổng hợp. Carbon xốp được sử dụng rộng rãi trong lưu trữ năng lượng và xúc tác. Tiềm năng của nó trong pin lithium là rất lớn—hãy cùng khám phá thêm.
Ưu điểm của vật liệu cacbon xốp cho pin lithium
Pin lithium-ion sử dụng ion lithium làm phương tiện truyền năng lượng và các điện cực được nhúng các cơ chế lưu trữ lithium điện hóa. Khi sạc, các ion lithium được tạo ra trên điện cực dương của pin. Các ion lithium được tạo ra được tách khỏi điện cực dương và di chuyển đến điện cực âm thông qua chất điện phân. Vật liệu carbon làm điện cực âm có cấu trúc nhiều lớp và có nhiều lỗ siêu nhỏ. Các ion lithium đến điện cực âm được nhúng trong các lỗ siêu nhỏ của vật liệu carbon.
Càng nhiều ion lithium được nhúng, khả năng sạc càng cao. Lúc này, điện cực âm giàu lithium, điện cực dương nghèo lithium. Đồng thời, điện tích bù electron sẽ được cung cấp cho điện cực âm carbon từ mạch ngoài, do đó đảm bảo cân bằng điện tích của điện cực âm. Trong quá trình xả, các ion lithium rời khỏi anot và đưa trở lại catot thông qua chất điện phân.
Là một cực dương của pin lithium-ion, diện tích bề mặt lớn của carbon xốp liên kết nhiều ion lithium hơn để có dung lượng cao hơn. Cấu trúc lỗ xốp phức tạp của nó cung cấp các đường khuếch tán hiệu quả và rút ngắn khoảng cách khuếch tán ion lithium. Các khuyết tật như chỗ trống và pha tạp nguyên tử khác nhau đóng vai trò là các vị trí lưu trữ lithium. Trong quá trình chèn/trích xuất lithium, ứng suất cơ học từ các thay đổi thể tích là tối thiểu, đảm bảo độ ổn định chu kỳ tốt. Do đó, carbon xốp thường thể hiện hiệu suất điện hóa tốt hơn than chì truyền thống.
Kích thước lỗ rỗng tối ưu cho carbon xốp là bao nhiêu?
Carbon xốp có thể được chia thành ba loại theo kích thước lỗ: carbon vi xốp (kích thước lỗ nhỏ hơn 2nm), carbon xốp trung bình (kích thước lỗ từ 2~50nm) và carbon xốp lớn (kích thước lỗ lớn hơn 50nm).
Carbon vi xốp
Carbon vi xốp có diện tích bề mặt riêng cao và thể hiện khả năng riêng cao như một vật liệu điện cực. Các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị carbon vi xốp có diện tích bề mặt lớn bằng phương pháp tạo mẫu.
Là một cực dương của pin lithium-ion, nó cho thấy dung lượng không thể đảo ngược lớn (2547 mA·h/g). Điều này là do diện tích bề mặt lớn làm tăng diện tích hình thành SEI.
Ngoài ra, nó cung cấp nhiều vị trí liên kết hơn cho các nhóm chức năng chứa oxy và hydro. Các nhóm chức năng này trải qua các phản ứng không thể đảo ngược với các ion lithium, dẫn đến dung lượng không thể đảo ngược cao. Sự suy giảm dung lượng đáng kể được quan sát thấy trong các chu kỳ ban đầu. Do đó, carbon vi xốp cấu trúc đơn không phải là vật liệu anot pin lithium-ion lý tưởng.
Cacbon xốp trung bình
Carbon mesoporous cũng có thể được sử dụng làm vật liệu cực dương cho pin lithium-ion.
Sử dụng silica có trật tự làm khuôn mẫu, có thể tổng hợp carbon mesoporous có trật tự (CMK-3). Nó thể hiện khả năng đảo ngược cao và hiệu suất chu kỳ sạc-xả tuyệt vời. Sau chu kỳ đầu tiên, khả năng sạc-xả vẫn ổn định. Điều này là do cấu trúc xốp có trật tự giảm thiểu sức cản vận chuyển ion, dẫn đến độ ổn định chu kỳ vượt trội.
Cacbon xốp lớn
Carbon xốp có trật tự được chế tạo bằng phương pháp khuôn mẫu cũng có thể được sử dụng làm vật liệu cực dương cho pin lithium-ion.
Sử dụng opal silica ngược làm khuôn mẫu, carbon xốp có trật tự với cấu trúc lỗ rỗng liên kết 3D và thành lỗ rỗng dạng than chì có thể được tổng hợp thông qua phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) sử dụng benzen.
Với tư cách là cực dương của pin lithium-ion, nó duy trì dung lượng 320 mA·h/g sau 60 chu kỳ ở mức 200 mA/g, với tỷ lệ duy trì dung lượng 98%.
Sử dụng polymethyl methacrylate (PMMA) làm khuôn mẫu, vật liệu xốp có trật tự 3D có thể được tổng hợp thông qua phương pháp sol-gel resorcinol-formaldehyde.
Với tư cách là vật liệu anot, nó đạt được công suất 260 mA·h/g ở 1000 mA/g, với khả năng duy trì công suất 83% sau 30 chu kỳ.
Phân loại xốp
Tuy nhiên, vật liệu carbon xốp có cấu trúc một lỗ rỗng chắc chắn có một số nhược điểm.
Để nâng cao hiệu suất của chúng, carbon xốp phân cấp—tích hợp các lỗ rỗng liên kết với nhau có kích thước khác nhau trong một cấu trúc phân loại—đã trở thành trọng tâm nghiên cứu. Các lợi thế kết hợp như sau:
- Các lỗ nhỏ cung cấp diện tích bề mặt riêng cao, tăng cường khả năng lưu trữ điện tích và tăng dung lượng pin lithium-ion.
- Các lỗ trung bình tạo ra các kênh vận chuyển nhanh cho các ion điện phân, cải thiện khả năng thẩm thấu điện phân.
- Các lỗ rỗng lớn rút ngắn khoảng cách khuếch tán ion, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển ion và đảm bảo khả năng duy trì dung lượng cao trong điều kiện dòng điện cao.
Ví dụ:
Chỉ cần đun nóng liti cacbonat và liti hiđrua, cacbon xốp phân cấp giống bọt biển (HPC giống bọt biển) có diện tích bề mặt riêng cực cao (1049 m²/g) đã được tổng hợp theo cách thân thiện với môi trường và hiệu quả, như thể hiện trong hình.
Khi được sử dụng làm vật liệu cực dương cho pin lithium-ion, HPC dạng bọt biển thể hiện:
Công suất đảo ngược cực cao (1750 mA·h/g ở 0,2 A/g), Độ ổn định chu kỳ đặc biệt (duy trì công suất ≈100% sau 2000 chu kỳ), Hiệu suất tốc độ vượt trội.
Carbon xốp phân cấp cũng có thể được biến đổi thông qua quá trình pha tạp nguyên tử dị loại, trong đó một số nguyên tử carbon trong cấu trúc xốp được thay thế bằng các nguyên tử khác. Bằng cách khai thác sự khác biệt về độ âm điện giữa carbon và các nguyên tử lạ, quá trình biến đổi này điều chỉnh sự phân bố điện tích và sự hình thành khuyết tật bên trong carbon xốp, cải thiện các đặc tính lý hóa của nó.
Carbon xốp có nhiều ứng dụng tiềm năng
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát triển một màng carbon xốp bằng cách thêm Fe3C để tạo thành các lỗ rỗng hình tổ ong và hình ngón tay. Màng carbon xốp này đạt được diện tích bề mặt riêng cao. Nó có thể trực tiếp đóng vai trò là vật liệu hoạt động và bộ thu dòng điện. Các lỗ rỗng lớn cung cấp đủ không gian bên trong để chịu được những thay đổi về thể tích trong quá trình sạc/xả. Màng carbon xốp không đối xứng cung cấp khả năng vận chuyển electron tốc độ cao và thúc đẩy sự khuếch tán chất điện phân và ion lithium.
Mặc dù carbon xốp có thể không bằng các vật liệu như ống nano carbon hoặc graphene về độ linh hoạt và tính chất cơ học, nhưng đây là lựa chọn lý tưởng cho tải khối lượng điện cực lớn.
Nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá việc kết hợp carbon xốp với graphene hoặc ống nano carbon. Điều này có thể tạo ra bộ thu dòng điện pin lithium-ion linh hoạt vượt trội cho các thiết bị đeo được.
Phần kết luận
Các nhà khoa học tin rằng carbon xốp có tiềm năng lớn để sử dụng rộng rãi trong các điện cực tự hỗ trợ và bộ thu dòng điện. Điều này là do sự phát triển của pin lithium-ion thế hệ tiếp theo sẽ tập trung vào dung lượng cao hơn, tuổi thọ dài hơn, thân thiện với môi trường hơn và chi phí thấp hơn. Điều này sẽ yêu cầu bộ thu dòng điện phải có hiệu suất điện hóa ổn định hơn, độ dẫn điện tốt hơn, trọng lượng nhẹ hơn và chi phí thấp hơn. Hơn nữa, các thiết bị đeo được trong tương lai sẽ yêu cầu bộ thu dòng điện có cấu trúc linh hoạt. Do đó, so với bộ thu dòng điện bằng kim loại, bộ thu dòng điện nanocarbon có triển vọng rộng hơn nhiều.
bột EPIC
Bột Epic, Hơn 20 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành bột siêu mịn. Tích cực thúc đẩy sự phát triển trong tương lai của bột siêu mịn, tập trung vào quá trình nghiền, nghiền, phân loại và sửa đổi bột siêu mịn. Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn miễn phí và các giải pháp tùy chỉnh! Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi tận tâm cung cấp các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao để tối đa hóa giá trị chế biến bột của bạn. Epic Powder—Chuyên gia chế biến bột đáng tin cậy của bạn!
