Еволюция на морфологията и структурата на графитните аноди по време на продължителни цикли на батерията

В настоящите литиево-йонни батерии често използваните анодни материали за литиеви батерии се разделят главно на анодни материали на основата на въглерод, литиев титанат и композитни материали на основата на силиций. Поради ограничението на енергийната плътност на литиевия титанат, разширяването и непълноценността на композитните материали на основата на силиций е не е разрешено добре, а анодните материали на основата на въглерод все още заемат основната част от анодите на литиевите батерии.

Въглеродните анодни материали се състоят главно от графит, твърд въглерод и меки въглеродни аноди. Графитът е често използван аноден материал. Графитът има предимствата на висока електронна проводимост, голям коефициент на дифузия на литиево-йонна промяна, малка промяна на обема преди и след вмъкване на литий, висок капацитет на вкарване на литий и нисък потенциал на вмъкване на литий и др. . Всеки знае, че литиевата батерия е вторична батерия, която работи в" люлеещ се стол" стил. Ако литиевите йони се движат напред-назад между графитния отрицателен електрод и материала на положителния електрод без загуби, тогава това ще бъде най-идеалното състояние, но факт е, че той се влияе от графитния слой. Литиевите батерии постепенно ще намаляват и се влошават по време на употреба поради влиянието на множество фактори като структурата на формата, кристалната структура на катодния материал, йонната проводимост на електролита и температурата, докато стане невалидна.

В процеса на дългосрочно колоездене, как ще се промени морфологията и структурата на графитния анод на литиевите батерии? Положителният електрод е литиев кобалтов оксид, а отрицателният електрод е графит. След като литиевата батерия е подготвена, на нея се провежда дългосрочен циклов тест и се вземат проби за откриване и анализ на различни възлови точки.

1. Еволюцията на морфологията на графитния анод по време на дългосрочно колоездене

Тестът за цикъл на литиева батерия се провежда в продължение на 1000 седмици, съответно несъбрани (а), активирани (б), 600 цикъла (в), 700 цикъла (г), 800 цикъла (д), 900 цикъла (е), 1000 цикъла ( ж) Отрицателният полюс се анализира чрез SEM и резултатът е показан на фигура 1:

Фигура 1. SEM изображение на графитен анод след различни цикли (5000 пъти)

Вижда се, че графитните материали, независимо дали са сглобени, активирани или рециклирани, са съставени от частици, вариращи от стотици нанометри до десетки микрометри, а разпределението на частиците по размер не е еднакво и в увеличеното изображение на 5000 пъти. Външният вид се променя. В 50 000 пъти увеличеното изображение (Фигура 2) несглобеният графит има чиста повърхност и само активираната графитна повърхност започва да показва филмоподобни вещества и тези филмоподобни вещества също съществуват на графитната повърхност по време на следващото зареждане и цикли на разреждане. вещество. След EDS тест и анализ беше установено, че несглобеният графитен електрод съдържа само С елемент. Въпреки това, в допълнение към елемента С, елементът О се появи в графитния електрод само след активиране и различни цикли. Този резултат показва, че само активираният и циклиран графитен електрод генерира О-съдържащ материал, което доказва, че филмоподобният материал е SEI филм.

Фигура 2. SEM изображения на графитен анод след различни цикли (50 000 пъти)

2. Еволюцията на структурата на графитния анод по време на дългосрочно колоездене

Възможните промени на графитния анод по време на дългосрочно циклиране се отразяват главно в стъклото на графитния слой и увеличаването на разстоянието между слоевете. XRD тестове бяха проведени на несглобени графитни отрицателни електроди след 600, 700, 800, 900 и 1000 цикъла, а резултатите са показани на фигура 3. Според уравнението на Bragg&# 39 и формулата на Scherrer' междуслойното разстояние d002, може да се изчисли степента на графитизация, размера на зърната Lc и размера на зърната La на графитния материал по посока на кристалната равнина (002).

Фигура 3. XRD модели на графитен анод след различни цикли

Фигура 4 показва кривата на d002 и степента на графитизация на графитния електрод с броя на циклите. По време на всичките 1000 цикъла на заряд-разряд, d002 и степента на графитизация на материала на графитния електрод се променят много малко, но d002 показва нарастваща тенденция и степента на графитизация показва тенденция на намаляване.

Фигура 4. Графит d002 и степента на графитизация се променят с броя на циклите

Фигура 5 е графиката на размера на кристалните зърна Lc и La на материала от графитен електрод като функция от броя на циклите. Lc в процеса на не рециркулация до 1000 пъти показва тенденция на постепенно намаляване, La няма очевидно правило за промяна и стойността му варира в диапазона от 47 ~ 49 nm

Фигура 5. Графитният размер на зърната Lc и La се променя в зависимост от броя на циклите

Наблюдава се морфологията на графитния отрицателен полюс по време на дългосрочно циклиране и резултатът е показан на фигура 6. Активираният графитен отрицателен електрод е добре свързан и състоянието на повърхността е нормално, но материалът на електрода постепенно се появява на ръба и намачкване на графитния отрицателен електрод след 100 и 1000 цикъла. Тъй като реакционната активност в края на графитния ръб е по-висока от тази в основната равнина, страничната реакция в края на ръба е по-интензивна, което прави графитният материал по-вероятно да падне. По време на целия дългосрочен цикъл на зареждане и разреждане стойността Lc на графитния материал показва тенденция на намаляване, а d002 показва тенденция на нарастване. Стойността на Lc е продукт на d002 и броя на графитните люспи в зърното, така че броят на графитните люспи в зърното показва тенденция на намаляване. Такива структурни промени се проявяват макроскопски като отделяне на графитен материал.

Фигура 6. Цифрова снимка на графитен анод само след активиране, 100 цикъла и 1000 цикъла

По време на използването на литиеви батерии, намаляването на капацитета често се случва по-бързо и структурната промяна на графитния анод е един от основните му фактори. Също така можем да преценим разумния жизнен цикъл на литиевата батерия, като анализираме промените в структурата и морфологията на графитния отрицателен електрод. Спрете да го използвате, когато е близо до този параметър, за да предотвратите отлепването на графита с отрицателни електроди от медното фолио и причиняването на опасности за безопасността.