リチウムイオン電池における天然黒鉛の役割

ロッキングチェア電池としても知られるリチウムイオン電池の主成分は、正極、負極、ダイヤフラム、電解質です。現在、リチウムイオン電池の正極にはスピネルLiMn2O4またはニッケル塩基性酸化物が採用されており、主負極は黒鉛、電解質にはLiPF6炭酸塩（EC、EMC）有機溶液が使用されています。 LiMn2O4は、最も安全な材料であり、最も安価なアノード材料であると考えられており、さまざまなパワーバッテリーで使用されています。 Li（NiCo）O2は容量は大きいが安全性能が低いため、ドーピングを変更して電圧を制限することで改善する必要があります。 LiFePO4 LiFePO4は、車両の安全性とバッテリーコストを考慮すると、安全性と耐用年数が長く、自動車のパワーバッテリーに使用されるリチウムイオンバッテリーに最適なアノード材料です。

リチウムイオン電池のエネルギー密度は、アノードの材質に大きく依存します。リチウムイオン電池の商品化から現在に至るまで、最も成熟したアノード材料と最も広く使用されているのはカーボン材料であり、その中でもグラファイトが依然として最も重要です。グラファイトは6員環カーボンネット層状構造を持ち、炭素炭素は分子力結合である層の間で混成SP2です。グラファイトには、六面体グラファイト（2H）と菱面体晶グラファイト（3R）の2つの異なる結晶構造があります。 3R相の蓄積構造はABCABCです。二相は互いに変化する可能性があり、2時間は相の熱力学的安定性であり、グラファイトではそれ以上であり、リチウムイオン電池のアノード材料の合計の約4 5であり、天然グラファイトと人工グラファイトが最大のアノード材料として使用されていますが、製造過程での人工黒鉛は高温処理が必要であり、製造コストが大幅に増加し、環境への影響は、人工黒鉛と比較して、その低コスト、高度の結晶化、精製、粉砕、等級付け、成熟など、多くの利点があります技術、低充電および放電電圧プラットフォーム、高比容量の理論、これらはリチウムイオン電池業界での応用のための良い基盤を築きました。

天然黒鉛は、アモルファス黒鉛（土状黒鉛または微結晶黒鉛）とフレーク黒鉛に分けられます。理論容量は372mAh / gです。アモルファスグラファイトの純度は低く、グラファイトの結晶面間隔（d002）は0.336nmです。これは主に2H結晶面シーケンス構造、つまりABABによるグラファイト層です...順番に、個々の微結晶の配向は異方性を示しますが、処理後、微結晶粒子はある程度相互作用し、形成されます。等方性のある塊状または粒状の粒子。そして、形成されたブロック粒子は、よく形作られた粒子に粉砕されやすい。

リチウムイオンの注入と除去の過程で、体積はほとんど変化せず、構造は比較的安定していますが、可逆比容量はわずか260mAh / gであり、不可逆比容量は100mAh / gを超えています。フレークグラファイトは、高い結晶性、大きなユニット構造、および明らかな異方性を備えています。この構造は、リチウムの注入および脱注入の過程でグラファイトの体積が大きく変化し、グラファイト層構造の破壊につながり、それが大きな不可逆的な容量損失およびサイクル性能の劇的な低下につながることを決定します。

リチウムイオン電池のアノードグラファイトとして、マイクロライトインクとフレークグラファイトは初めて不可逆容量の大きな欠点があり、フレークグラファイトのサイクル性能と大電流の充放電性能が悪いため、研究者は使用時に集中する傾向があります天然黒鉛の改質については、それ自体の構造上の欠陥を改善するために、バッテリーの性能を改善するために研究されています。その中で、黒鉛陽極の改質には、主に表面処理、表面コーティング、元素ドーピングなどが含まれます。改質研究については、以下で詳しく説明します。

グラファイトアノード材料の変更

1.表面酸化

主に不規則な電極界面（鋸歯状およびロッキングチェア）での表面酸化は、挿入前の酸性基（-OH、-COOHなど）の生成-これらの基は、溶媒分子の埋め込みを防ぎ、電極間の濡れ性を向上させることができます/電解質、インピーダンス界面を低減し、カルボン酸リチウム塩と表面-Oli基に挿入された-liが安定したSEI膜を形成するのは初めてです。さらに、酸化によってグラファイトの欠陥構造の一部を取り除くことができ、生成されたナノレベルの微細孔を追加のリチウム貯蔵スペースとして使用して、リチウム貯蔵容量を向上させることができます。

表面酸化には通常、気相酸化と液相酸化が含まれます。主に空気気相酸化、酸化剤としてのO2、O3、CO2、C2H2ガス、たとえばグラファイトとの気固界面反応は、グラファイトの表面の活性点を減らし、同時に不可逆的な容量損失を初めて減らします時間、より多くの細孔とナノ細孔を生成し、リチウムイオン貯蔵スペースを追加して、可逆容量を改善し、カソード性能を改善します。ウーユーは、500℃以下の空気酸化改質で通常の天然黒鉛と同等の処理を行います。修飾されたグラファイト構造の安定性が改善され、ナノメートルの細孔とチャネルの数が増加しました。さらに、酸化中に形成された酸化物層はグラファイトに密接に結合して緻密な不動態化膜を形成し、これにより電解質のグラファイトへの溶媒和反応が防止され、グラファイトの可逆容量が向上します。液相酸化法は、液固相反応により硫酸セリウム、硫酸、硝酸、過酸化水素などの強力な酸化剤溶液を使用することです。硫酸と過硫酸アンモニウムの飽和溶液による天然黒鉛の表面酸化を行い、黒鉛の可逆容量を349mahg-1に増加させ、クーロン効率を初めて改善しました。

2.表面コーティング

グラファイトアノード材料の表面改質には、主にカーボンクラッディング、金属または非金属、およびその酸化物クラッディングとポリマークラッディングが含まれます。電極の可逆比容量、初期クーロン効率、サイクル性能、および充放電性能は、表面コーティングによって改善することができます。グラファイト材料の表面コーティング改質の出発点は次のとおりです。

表面クラッディングにより、グラファイトの比表面積が減少し、SEIフィルムによって消費されるリチウムが減少し、材料の最初のクーロン効率が向上します。

表面コーティングにより、グラファイト表面の活性点が減少し、表面特性が均一になり、溶媒の共埋め込みが回避され、不可逆的な損失が減少します。

3.アモルファスカーボンクラッディング

アモルファスカーボングラファイトの層を覆う「コア-C / C複合材料のシェル構造、溶媒とのアモルファスカーボンの接触、グラファイトとの直接接触を避けるための溶媒、溶媒分子による停止がグラファイト層の剥離現象に埋め込まれ、電解質の選択の範囲、平等の王国は、球状グラファイトに作られた天然フレークグラファイト、その表面コーティングにおいて、コアを備えたナノメートル黒鉛化炭素材料の層-球状グラファイトのシェル構造の変更、球状グラファイトのタップ密度の変更が大幅に改善されます、および最大365 mah g -1の可逆容量を同時に実現しました。初めて、クーロン効率とサイクル安定性も大幅に向上しました。

高容量、高電圧、高サイクル安定性、高エネルギー密度、環境汚染のない、その他の優れた人気のある特性を備えたリチウムイオン電池は、グリーンエネルギーおよび21世紀の支配的な電力として知られており、民間および防衛用途の幅広い展望があります。 、その応用分野を拡大することは、あらゆる種類の携帯型電子製品に広く成功裏に適用されているだけでなく、パワーバッテリーの方向に発展し始めています。現在、リチウムイオン電池とその主要材料は、多くの国で科学技術と産業の焦点となっています。これまで、リチウムイオン電池は、最も成熟したアノード材料と最も広く使用されているカーボン材料を使用して商品化されてきましたが、その中でもグラファイトが依然として最も重要です。天然黒鉛には、低コスト、高結晶化度、成熟した精製、破砕およびグレーディング技術、低充電および放電電圧プラットフォーム、および高い理論容量という利点があります。しかし、天然黒鉛の構造上の欠陥により、初めて効率が低下し、循環が悪くなります。したがって、天然黒鉛を改質する方法を開発することが不可欠です。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。