Pada tahun 1989, SONY menemui kok petroleum boleh menggantikan litium dalam bateri boleh dicas semula. Ini menandakan permulaan aplikasi bateri lithium-ion berskala besar. Penyelidikan mengenai bahan anod bermula dari situ. Dalam tempoh 30 tahun akan datang, tiga generasi bahan anod muncul. Ini termasuk karbon, litium titanat, dan bahan berasaskan silikon. Artikel ini mengklasifikasikan Bahan Anod Bateri Litium mengikut struktur dan memperkenalkan secara ringkas ciri dan prestasi mereka. Ia juga menyemak kemajuan dalam penambahbaikan bahan dan arah pembangunan. Tumpuan adalah pada bahan anod berketumpatan tenaga tinggi generasi akan datang. Aliran masa depan dan status semasa bahan ini diserlahkan.
Bahan Karbon
Bahan karbon ialah Bahan Anod Bateri Litium komersial yang paling banyak digunakan hari ini. Ia terutamanya termasuk grafit semula jadi, grafit tiruan, karbon keras, karbon lembut dan MCMB. Sebelum anod generasi akan datang matang, karbon—terutama grafit—akan kekal sebagai pilihan arus perdana.
grafit
Grafit dibahagikan kepada jenis semula jadi dan buatan berdasarkan bahan mentah dan kaedah pemprosesan. Oleh kerana potensi litium yang rendah, kecekapan awal yang tinggi, kestabilan berbasikal yang baik, dan kos rendah, grafit telah menjadi bahan anod yang ideal untuk aplikasi bateri litium-ion semasa.
Grafit semula jadi: Biasanya menggunakan grafit serpihan semulajadi sebagai bahan mentah, diproses menjadi grafit sfera melalui pengubahsuaian.
Walaupun digunakan secara meluas, grafit semulajadi mempunyai beberapa kelemahan: Banyak kecacatan permukaan dan luas permukaan khusus yang besar membawa kepada kecekapan awal yang rendah. Dengan elektrolit berasaskan PC, interkalasi bersama yang teruk bagi ion litium terlarut berlaku, menyebabkan pengembangan lapisan dan pengelupasan. Anisotropi yang kuat mengehadkan pemasukan litium pada satah tepi, mengakibatkan prestasi kadar yang lemah dan risiko penyaduran litium.
Pengubahsuaian grafit semula jadi:
Untuk menangani kecacatan permukaan dan toleransi elektrolit yang lemah terhadap grafit semula jadi, pelbagai surfaktan digunakan untuk pengubahsuaian.
Untuk menangani anisotropi yang kuat dalam grafit semula jadi, pengeluaran perindustrian sering menggunakan pembentukan mekanikal untuk sferoidisasi. Kilang jet menggunakan hentaman udara untuk menyebabkan perlanggaran zarah dan memangkas tepi tajam. Kaedah ini mengelakkan doping kekotoran dan menawarkan kecekapan spheroidisasi yang tinggi.
Walau bagaimanapun, ia menyebabkan penghancuran zarah yang ketara, yang membawa kepada hasil yang rendah.
Grafit tiruan: Biasanya dibuat daripada kok petroleum padat atau prekursor kok jarum, mengelakkan kecacatan permukaan yang terdapat dalam grafit semula jadi. Walau bagaimanapun, ia masih mengalami prestasi kadar yang lemah, tingkah laku suhu rendah, dan penyaduran litium akibat anisotropi kristal. Tidak seperti grafit semula jadi, grafit tiruan diubah suai dengan menstruktur semula morfologi zarah untuk mengurangkan indeks orientasi (OI). Lazimnya, kok jarum 8–10 μm digunakan sebagai prekursor, dengan pic atau pengikat boleh grafit yang serupa. Melalui rawatan tanur berputar, beberapa zarah diikat ke dalam zarah sekunder (D50: 14–18 μm), kemudian digrafikkan, dengan berkesan menurunkan nilai OI.
Karbon lembut
Karbon lembut, juga dikenali sebagai karbon boleh graf, merujuk kepada bahan karbon amorf yang boleh digrafikkan melebihi 2500 °C. Bergantung pada suhu pensinteran prekursor, karbon lembut boleh membentuk tiga struktur kristal: struktur amorfus, turbostratik (tidak teratur) dan grafit—yang terakhir ialah grafit tiruan biasa. Karbon lembut amorfus, dengan kehabluran rendah dan jarak antara lapisan yang besar, mempunyai keserasian elektrolit yang baik. Hasilnya, ia menawarkan prestasi suhu rendah yang sangat baik dan keupayaan kadar yang baik, menarik perhatian meluas.
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) ialah oksida komposit yang terdiri daripada litium logam dan titanium logam peralihan berpotensi rendah. Ia tergolong dalam siri AB₂X₄ penyelesaian pepejal jenis spinel. LTO mempunyai kapasiti khusus teori 175 mAh/g, dengan kapasiti khusus sebenar lebih besar daripada 160 mAh/g. Ia adalah salah satu Bahan Anod Bateri Lithium yang telah pun dikomersialkan.
Kelebihan
Sifat terikan sifar: LTO mempunyai parameter kekisi a = 0.836 nm. Semasa pengecasan/penyahcasan, pemasukan/pengeluaran litium mempunyai kesan yang minimum pada struktur kristalnya. Ini menghalang perubahan struktur daripada pengembangan/penguncupan volum, memberikan kestabilan elektrokimia dan hayat kitaran yang sangat baik.
Tiada risiko penyaduran litium: LTO mempunyai potensi pemasukan litium yang tinggi sebanyak 1.55 V. Tiada bentuk filem SEI semasa pengecasan awal, menghasilkan kecekapan kitaran pertama yang tinggi, kestabilan terma yang baik, rintangan antara muka yang rendah dan prestasi suhu rendah yang sangat baik—boleh mengecas pada -40°C.
Konduktor ion cepat 3D: LTO mempunyai struktur spinel 3D, dengan laluan litium jauh lebih besar daripada jarak antara lapisan grafit.
Kekonduksian ioniknya adalah susunan magnitud yang lebih tinggi daripada grafit, menjadikannya ideal untuk cas/nyahcas kadar tinggi.
Keburukan
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
Kelebihan dan kekurangan LTO kedua-duanya sangat ketara, dengan ciri prestasi yang agak melampau. Oleh itu, ia paling sesuai digunakan dalam bidang khusus yang mana kekuatannya boleh digunakan sepenuhnya. Pada masa ini, bateri LTO digunakan terutamanya dalam bas BRT elektrik tulen bandar, bas hibrid elektrik, dan peraturan frekuensi grid kuasa dan perkhidmatan pencukuran puncak.
Bahan berasaskan silika
Silikon dianggap sebagai salah satu Bahan Anod Bateri Litium yang paling menjanjikan, dengan kapasiti khusus teori sehingga 4200 mAh/g—lebih 10 kali ganda daripada grafit. Potensi pemasukan litiumnya lebih tinggi daripada karbon, mengurangkan risiko penyaduran litium dan meningkatkan keselamatan. Penyelidikan semasa memberi tumpuan kepada dua arah utama: komposit karbon nano-silikon dan bahan anod silikon oksida (SiOx).
Cabaran permohonan:
- Pengembangan dan pengecutan volum yang besar semasa litiasi/delithiation menyebabkan pemisahan zarah dan kerosakan struktur elektrod, yang membawa kepada kegagalan prestasi elektrokimia.
- Pemecahan dan pembentukan semula filem SEI yang berterusan disebabkan oleh perubahan volum menggunakan elektrolit dan litium boleh balik, mempercepatkan pudar kapasiti dan menurunkan kecekapan cas/nyahcas secara drastik.
Untuk menyelesaikan isu-isu ini, penyelidik telah secara aktif meneroka kaedah baharu untuk meningkatkan prestasi anod silikon. Pendekatan arus perdana ialah menggunakan grafit sebagai bahan asas dan menambah 5%–10% mengikut jisim nano-silikon atau SiOx. Ini kemudiannya disalut dengan karbon untuk menyekat perubahan volum dan meningkatkan kestabilan berbasikal.
Kesimpulan
Kertas kerja ini meringkaskan ciri struktur dan ciri fungsi pelbagai bahan anod bateri lithium-ion. Ia menyemak kemajuan penyelidikan terkini mengenai bahan anod berbeza yang digunakan dalam bateri litium-ion. Dengan penambahbaikan dan pengubahsuaian berterusan, bahan berasaskan silikon telah muncul sebagai anod generasi seterusnya yang paling menjanjikan. Walau bagaimanapun, pengembangan volum yang besar dan prestasi kitaran yang lemah menghalang aplikasi berskala besar.
Banyak kaedah pengubahsuaian terkini menghadapi cabaran seperti proses yang kompleks dan kos yang tinggi. Ini memerlukan pemahaman yang lebih mendalam tentang prinsip asas dan pembangunan kaedah mudah dan cekap untuk menghasilkan bahan nano-silikon komposit. Matlamatnya adalah untuk mencipta bateri litium-ion dengan pengembangan yang rendah, kecekapan awal yang tinggi, keupayaan kadar tinggi dan keselamatan—membuka jalan untuk anod silikon menggantikan grafit dan mencapai kejayaan dalam aplikasi kenderaan elektrik.
serbuk epik
Bedak Epik, 20+ tahun pengalaman kerja dalam industri serbuk ultrahalus. Secara aktif menggalakkan pembangunan serbuk ultra-halus masa hadapan, memfokuskan pada proses penghancuran, pengisaran, pengelasan dan pengubahsuaian serbuk ultra-halus. Hubungi kami untuk perundingan percuma dan penyelesaian tersuai! Pasukan pakar kami berdedikasi untuk menyediakan produk dan perkhidmatan berkualiti tinggi untuk memaksimumkan nilai pemprosesan serbuk anda. Serbuk Epik—Pakar Pemprosesan Serbuk Dipercayai Anda!