تکامل مورفولوژی و ساختار آندهای گرافیت در طول دوره های طولانی مدت باتری

در باتری های لیتیوم یون فعلی ، مواد آندی که برای باتری های لیتیوم معمولاً استفاده می شود ، عمدتا به مواد آند مبتنی بر کربن ، تیتانات لیتیوم و مواد کامپوزیت بر پایه سیلیکون تقسیم می شوند. با توجه به محدودیت چگالی انرژی تیتانات لیتیوم ، انبساط و فرومایگی مواد کامپوزیت بر پایه سیلیکون به خوبی حل نشده است و مواد آند بر پایه کربن هنوز قسمت اصلی آندهای باتری لیتیوم را اشغال می کنند.

مواد آند کربن عمدتا از آندهای گرافیت ، کربن سخت و کربن نرم تشکیل شده اند. گرافیت یک ماده آند معمولاً مورد استفاده است. گرافیت دارای مزایای هدایت الکترونیکی بالا ، ضریب نفوذ یون لیتیوم بزرگ ، تغییر حجم کم قبل و بعد از درج لیتیوم ، ظرفیت درج لیتیوم بالا و پتانسیل درج لیتیوم کم و غیره است و به جریان اصلی جریان تجاری آند باتری لیتیوم یون تبدیل شده است . همه می دانند که یک باتری لیتیوم یک باتری ثانویه است که در&کار می کند ؛ صندلی گهواره ای&؛ سبک. اگر یونهای لیتیوم بین الکترود منفی گرافیت و ماده الکترود مثبت بدون اتلاف رفت و برگشت داشته باشند ، این حالت ایده آل ترین حالت خواهد بود ، اما واقعیت این است که توسط لایه گرافیت تحت تأثیر قرار می گیرد. باتری های لیتیوم به دلیل تأثیر عوامل متعددی مانند ساختار شکل ، ساختار بلوری مواد کاتدی ، رسانایی یونی الکترولیت و دما ، به تدریج در اثر استفاده کاهش و بدتر می شوند تا زمانی که باطل شود.

در روند دوچرخه سواری طولانی مدت ، مورفولوژی و ساختار آند گرافیت باتری های لیتیوم چگونه تغییر می کند؟ ماده الکترود مثبت اکسید کبالت لیتیوم است و ماده الکترود منفی گرافیت است. پس از آماده سازی باتری لیتیوم ، یک آزمایش چرخه طولانی مدت بر روی آن انجام می شود و نمونه ها برای شناسایی و تجزیه و تحلیل در گره های چرخه مختلف گرفته می شود.

1. تکامل مورفولوژی آند گرافیت در طول دوچرخه سواری طولانی مدت

آزمون چرخه باتری لیتیوم به مدت 1000 هفته انجام شد ، به ترتیب غیر مونتاژ (الف) ، فعال شده (ب) ، 600 چرخه (ج) ، 700 چرخه (د) ، 800 چرخه (ه) ، 900 چرخه (f) ، 1000 چرخه ( g) قطب قطب منفی توسط SEM تجزیه و تحلیل می شود و نتیجه در شکل 1 نشان داده شده است:

شکل 1. تصویر SEM از آند گرافیت پس از چرخه های مختلف (5000 بار)

دیده می شود که مواد گرافیت ، چه غیرمونتاژ ، فعال یا بازیافت شده ، از ذراتی از صدها نانومتر تا ده ها میکرومتر تشکیل شده اند ، و توزیع اندازه ذرات یکنواخت نیست و هیچ ماده گرافیتی در تصویر بزرگ شده از 5000 بار ظاهر تغییر می کند. در تصویر 50،000 برابر بزرگنمایی شده (شکل 2) ، گرافیت مونتاژ نشده دارای یک سطح تمیز است و فقط سطح گرافیت فعال شده شروع به نشان دادن مواد فیلم مانند می کند و این مواد فیلم مانند نیز در طول بار زیر بر روی سطح گرافیت وجود دارد و چرخه تخلیه ماده پس از آزمایش و تجزیه و تحلیل EDS ، مشخص شد که الکترود گرافیت مونتاژ نشده فقط حاوی عنصر C است. با این حال ، علاوه بر عنصر C ، عنصر O پس از فعال شدن و چرخه های مختلف در الکترود گرافیت ظاهر می شود. این نتیجه نشان می دهد که فقط الکترود گرافیت فعال و چرخشی ماده ای حاوی O تولید می کند ، که ثابت می کند ماده فیلم مانند یک فیلم SEI است.

شکل 2. تصاویر SEM از آند گرافیت پس از چرخه های مختلف (50،000 بار)

2. تکامل ساختار آند گرافیت در طول دوچرخه سواری طولانی مدت

تغییرات احتمالی آند گرافیت در طی دوچرخه سواری طولانی مدت عمدتا در شیشه لایه گرافیت و افزایش فاصله لایه منعکس می شود. آزمایش های XRD پس از 600 ، 700 ، 800 ، 900 و 1000 سیکل بر روی الکترودهای منفی گرافیت مونتاژ نشده انجام شد و نتایج در شکل 3 نشان داده شده است. مطابق با معادله Bragg&# 39 و فرمول Scherrer&# 39 ، فاصله بین لایه های d002 ، درجه گرافیت سازی ، اندازه دانه Lc و اندازه دانه La ماده گرافیت در جهت صفحه بلوری (002) قابل محاسبه است.

شکل 3. الگوهای XRD آند گرافیت پس از چرخه های مختلف

شکل 4 منحنی d002 و درجه گرافیتاسیون الکترود گرافیت را با تعداد چرخه نشان می دهد. در طول کل 1000 چرخه تخلیه شارژ ، d002 و درجه گرافیتاسیون ماده الکترود گرافیت بسیار کمی تغییر کرده است ، اما d002 روند افزایشی و درجه گرافیتاسیون روند کاهشی نشان داده است.

شکل 4. گرافیت d002 و درجه گرافیتاسیون با تعداد چرخه تغییر می کند

شکل 5 نمودار دانه های کریستال Lc و La از ماده الکترود گرافیت به عنوان تابعی از تعداد چرخه ها است. Lc در روند عدم گردش مجدد تا 1000 برابر روند كاهش تدریجی را نشان می دهد ، La هیچ قاعده تغییر آشكاری ندارد و مقدار آن در محدوده 47 ~ 49 nm در نوسان است

شکل 5. اندازه دانه های گرافیت Lc و La با تعداد چرخه تغییر می کند

مورفولوژی قطعه قطب منفی گرافیت در طی دوچرخه سواری طولانی مدت مشاهده شد و نتیجه آن در شکل 6 نشان داده شده است. الکترود منفی گرافیت فعال شده به خوبی پیوند خورده و شرایط سطح نرمال است ، اما مواد الکترود به تدریج در لبه و چین سیم پیچ الکترود منفی گرافیت پس از 100 و 1000 سیکل. از آنجا که فعالیت واکنش در انتهای لبه گرافیت از سطح پایه بیشتر است ، واکنش جانبی در انتهای لبه شدیدتر است و احتمال ریزش ماده گرافیت را بیشتر می کند. در طول کل چرخه شارژ و دشارژ طولانی مدت ، مقدار Lc ماده گرافیت روند کاهشی و d002 روند افزایشی را نشان می دهد. مقدار Lc حاصل d002 و تعداد پوسته های گرافیت در دانه است ، بنابراین تعداد پوسته های گرافیت در دانه روند کاهشی را نشان می دهد. چنین تغییرات ساختاری از نظر ماکروسکوپی به عنوان ریختن مواد گرافیت آشکار می شود.

شکل 6. عکس دیجیتالی از آند گرافیت فقط پس از فعال سازی ، 100 چرخه و 1000 چرخه

در حین استفاده از باتری های لیتیوم ، اغلب افت سریع ظرفیت رخ می دهد و تغییر ساختاری آند گرافیت یکی از عوامل اصلی آن است. همچنین می توانیم با تجزیه و تحلیل تغییرات در ساختار و مورفولوژی الکترود منفی گرافیت ، عمر معقول چرخه باتری لیتیوم را قضاوت کنیم. استفاده از آن را هنگامی که به این پارامتر نزدیک است متوقف کنید تا از جدا شدن گرافیت الکترود منفی از ورق مس و ایجاد خطرات ایمنی جلوگیری کند.