Pada tahun 1989, SONY menemukan kokas minyak bumi dapat menggantikan litium dalam baterai yang dapat diisi ulang. Hal ini menandai dimulainya aplikasi baterai litium-ion skala besar. Penelitian tentang bahan anoda dimulai sejak saat itu. Selama 30 tahun berikutnya, muncul tiga generasi bahan anoda. Bahan-bahan ini meliputi karbon, litium titanat, dan bahan berbasis silikon. Artikel ini mengklasifikasikan Bahan Anoda Baterai Litium berdasarkan struktur dan secara singkat memperkenalkan karakteristik dan kinerjanya. Buku ini juga mengulas kemajuan dalam perbaikan material dan arah pengembangan. Fokusnya adalah pada material anoda berdensitas energi tinggi generasi berikutnya. Tren masa depan dan status terkini material ini disorot.
Bahan Karbon
Bahan karbon merupakan bahan anoda baterai litium komersial yang paling banyak digunakan saat ini. Bahan-bahan tersebut terutama meliputi grafit alami, grafit buatan, karbon keras, karbon lunak, dan MCMB. Sebelum anoda generasi berikutnya matang, karbon—terutama grafit—akan tetap menjadi pilihan utama.
Grafit
Grafit dibagi menjadi jenis alami dan buatan berdasarkan bahan baku dan metode pengolahan. Karena potensi litiumnya rendah, efisiensi awal tinggi, stabilitas siklusnya baik, dan biayanya rendah, grafit telah menjadi bahan anoda yang ideal untuk aplikasi baterai litium-ion saat ini.
Grafit alami: Biasanya menggunakan serpihan grafit alam sebagai bahan baku, diproses menjadi grafit bulat melalui modifikasi.
Meskipun digunakan secara luas, grafit alami memiliki beberapa kelemahan: Banyaknya cacat permukaan dan luas permukaan spesifik yang besar menyebabkan efisiensi awal yang rendah. Dengan elektrolit berbasis PC, ko-interkalasi ion litium terlarut yang parah terjadi, yang menyebabkan pemuaian dan pengelupasan lapisan. Anisotropi yang kuat membatasi penyisipan litium ke bidang tepi, yang mengakibatkan kinerja laju yang buruk dan risiko pelapisan litium.
Modifikasi grafit alam:
Untuk mengatasi cacat permukaan dan toleransi elektrolit yang buruk pada grafit alam, berbagai surfaktan digunakan untuk modifikasi.
Untuk mengatasi anisotropi kuat dalam grafit alam, produksi industri sering menggunakan pembentukan mekanis untuk sferoidisasi. Pabrik jet menggunakan tumbukan udara untuk menyebabkan tumbukan partikel dan memangkas tepi yang tajam. Metode ini menghindari doping pengotor dan menawarkan efisiensi sferoidisasi yang tinggi.
Akan tetapi, hal itu menyebabkan penghancuran partikel secara signifikan, sehingga menghasilkan hasil yang rendah.
Grafit buatan: Biasanya dibuat dari kokas minyak bumi padat atau prekursor kokas jarum, menghindari cacat permukaan yang ditemukan pada grafit alami. Namun, grafit alami masih memiliki kinerja laju yang buruk, perilaku suhu rendah, dan pelapisan litium karena anisotropi kristal. Tidak seperti grafit alami, grafit buatan dimodifikasi dengan merestrukturisasi morfologi partikel untuk mengurangi indeks orientasi (OI). Umumnya, kokas jarum 8–10 μm digunakan sebagai prekursor, dengan pitch atau pengikat yang dapat digrafitisasi serupa. Melalui perlakuan tanur putar, beberapa partikel diikat menjadi partikel sekunder (D50: 14–18 μm), kemudian digrafitisasi, yang secara efektif menurunkan nilai OI.
Karbon lunak
Karbon lunak, juga dikenal sebagai karbon yang dapat digrafitisasi, mengacu pada bahan karbon amorf yang dapat digrafitisasi di atas 2500 °C. Bergantung pada suhu sintering prekursor, karbon lunak dapat membentuk tiga struktur kristal: amorf, turbostratik (tidak teratur), dan struktur grafit—yang terakhir adalah grafit buatan yang umum. Karbon lunak amorf, dengan kristalinitas rendah dan jarak antarlapisan yang besar, memiliki kompatibilitas elektrolit yang baik. Hasilnya, ia menawarkan kinerja suhu rendah yang sangat baik dan kemampuan laju yang baik, yang menarik perhatian luas.
Soft carbon has a high irreversible capacity during the first charge and discharge, a lower output voltage, and no distinct charge/discharge plateaus. As a result, it is generally not used independently as an anode material but rather as a coating or component.
Karbon keras
Hard carbon, also known as non-graphitizable carbon, is difficult to graphitize even at temperatures above 2500°C. It is typically produced by heat treatment of precursors at 500–1200°C. Common types of hard carbon include resin carbon, organic polymer pyrolysis carbon, carbon black, and biomass carbon. Phenolic resin, when pyrolyzed at 800°C, forms hard carbon with an initial charge capacity up to 800 mAh/g, and a d002 interlayer spacing greater than 0.37 nm (compared to 0.3354 nm for graphite). The larger interlayer spacing facilitates lithium-ion insertion and extraction, giving hard carbon excellent charge/discharge performance. This makes hard carbon a new research focus for anode materials. However, its drawbacks include high initial irreversible capacity, voltage plateau hysteresis, low tap density, and the tendency to generate gas, which cannot be overlooked.
Bahan litium titanat
Litium titanat (LTO): Litium titanat (LTO) adalah oksida komposit yang terdiri dari litium metalik dan titanium logam transisi potensial rendah. Litium titanat termasuk dalam seri AB₂X₄ larutan padat tipe spinel. LTO memiliki kapasitas spesifik teoritis sebesar 175 mAh/g, dengan kapasitas spesifik aktual lebih dari 160 mAh/g. Litium titanat merupakan salah satu Bahan Anoda Baterai Litium yang telah dikomersialkan.
Keuntungan
Properti tanpa regangan: LTO memiliki parameter kisi a = 0,836 nm. Selama pengisian/pengosongan, penyisipan/pengekstrakan litium memiliki dampak minimal pada struktur kristalnya. Hal ini mencegah perubahan struktural akibat ekspansi/kontraksi volume, sehingga memberikan stabilitas elektrokimia dan siklus hidup yang sangat baik.
Tidak ada risiko pelapisan litium: LTO memiliki potensi penyisipan litium yang tinggi sebesar 1,55 V. Tidak ada lapisan SEI yang terbentuk selama pengisian awal, sehingga menghasilkan efisiensi siklus pertama yang tinggi, stabilitas termal yang baik, resistansi antarmuka yang rendah, dan kinerja suhu rendah yang sangat baik—dapat mengisi daya pada suhu -40°C.
Konduktor ion cepat 3D: LTO memiliki struktur spinel 3D, dengan jalur litium jauh lebih besar daripada jarak antarlapisan grafit.
Konduktivitas ioniknya satu tingkat lebih tinggi daripada grafit, sehingga ideal untuk pengisian/pengosongan daya berkecepatan tinggi.
Kerugian
LTO also has drawbacks due to its low specific capacity and voltage plateau, resulting in low energy density. Its nanostructured form is highly hygroscopic, causing severe gas generation and poor high-temperature cycling. The material fabrication process is complex and costly. As a result, LTO cell costs are more than three times higher than those of equivalent-energy LFP (lithium iron phosphate) cells.
Aplikasi bahan
Keunggulan dan kekurangan LTO sangat menonjol, dengan karakteristik kinerja yang cukup ekstrem. Oleh karena itu, LTO paling baik diterapkan di bidang khusus yang dapat memanfaatkan sepenuhnya kekuatannya. Saat ini, baterai LTO terutama digunakan di bus BRT listrik murni perkotaan, bus hibrida listrik, dan layanan pengaturan frekuensi jaringan listrik serta pemangkasan beban puncak.
Bahan berbasis silika
Silikon dianggap sebagai salah satu Bahan Anoda Baterai Litium yang paling menjanjikan, dengan kapasitas spesifik teoritis hingga 4200 mAh/g—lebih dari 10 kali lipat kapasitas grafit. Potensi penyisipan litiumnya lebih tinggi daripada karbon, sehingga mengurangi risiko pelapisan litium dan meningkatkan keamanan. Penelitian saat ini berfokus pada dua arah utama: komposit karbon nano-silikon dan bahan anoda silikon oksida (SiOx).
Tantangan aplikasi:
- Ekspansi dan kontraksi volume besar selama litiasi/delitiasi menyebabkan penghancuran partikel dan kerusakan struktur elektroda, yang menyebabkan kegagalan kinerja elektrokimia.
- Pemecahan dan pembentukan ulang film SEI yang berkelanjutan akibat perubahan volume menghabiskan elektrolit dan litium reversibel, mempercepat pemudaran kapasitas dan menurunkan efisiensi pengisian/pengosongan secara drastis.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti telah aktif mengeksplorasi metode baru untuk meningkatkan kinerja anoda silikon. Pendekatan yang umum adalah menggunakan grafit sebagai bahan dasar dan menambahkan 5%–10% berdasarkan massa nano-silikon atau SiOx. Kemudian dilapisi dengan karbon untuk menekan perubahan volume dan meningkatkan stabilitas siklus.
Kesimpulan
Makalah ini merangkum karakteristik struktural dan fitur fungsional berbagai bahan anoda baterai lithium-ion. Makalah ini mengulas kemajuan penelitian terkini tentang berbagai bahan anoda yang digunakan dalam baterai lithium-ion. Dengan perbaikan dan modifikasi berkelanjutan, bahan berbasis silikon telah muncul sebagai anoda generasi berikutnya yang paling menjanjikan. Namun, ekspansi volume besar yang melekat dan kinerja siklus yang buruk menghambat aplikasi skala besar.
Banyak metode modifikasi terkini menghadapi tantangan seperti proses yang rumit dan biaya yang tinggi. Hal ini memerlukan pemahaman yang lebih mendalam tentang prinsip-prinsip dasar dan pengembangan metode yang sederhana dan efisien untuk menghasilkan material nano-silikon komposit. Tujuannya adalah untuk menciptakan baterai lithium-ion dengan ekspansi rendah, efisiensi awal yang tinggi, kemampuan laju tinggi, dan keamanan—yang membuka jalan bagi anoda silikon untuk menggantikan grafit dan mencapai terobosan dalam aplikasi kendaraan listrik.
Bubuk epik
Bubuk Epik, 20+ tahun pengalaman kerja di industri bubuk ultrafine. Secara aktif mempromosikan pengembangan bubuk ultra-fine di masa depan, dengan fokus pada proses penghancuran, penggilingan, pengklasifikasian, dan modifikasi bubuk ultra-fine. Hubungi kami untuk konsultasi gratis dan solusi yang disesuaikan! Tim ahli kami berdedikasi untuk menyediakan produk dan layanan berkualitas tinggi guna memaksimalkan nilai pemrosesan bubuk Anda. Epic Powder—Ahli Pemrosesan Bubuk Tepercaya Anda!