Entwicklung der Morphologie und Struktur von Graphitanoden während langfristiger Batteriezyklen

In den gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien werden die üblicherweise verwendeten Anodenmaterialien für Lithiumbatterien hauptsächlich in Anodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis, Lithiumtitanat und Verbundmaterialien auf Siliziumbasis unterteilt. Aufgrund der Begrenzung der Energiedichte von Lithiumtitanat wurde die Expansion und Minderwertigkeit von Verbundwerkstoffen auf Siliziumbasis nicht gut gelöst, und Anodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis nehmen immer noch den Hauptteil der Lithiumbatterieanoden ein.

Kohlenstoffanodenmaterialien bestehen hauptsächlich aus Graphit-, Hartkohlenstoff- und Weichkohlenstoffanoden. Graphit ist ein häufig verwendetes Anodenmaterial. Graphit hat die Vorteile einer hohen elektronischen Leitfähigkeit, eines großen Lithiumionen-Diffusionskoeffizienten, einer kleinen Volumenänderung vor und nach dem Einbringen von Lithium, einer hohen Lithium-Einfügungskapazität und eines niedrigen Lithium-Einfügungspotentials usw. und ist zum gängigen kommerziellen Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien geworden . Jeder weiß, dass eine Lithiumbatterie eine Sekundärbatterie ist, die in einem&"Schaukelstuhl GG" funktioniert. Stil. Wenn Lithiumionen ohne Verlust zwischen der negativen Graphitelektrode und dem positiven Elektrodenmaterial hin und her pendeln, ist dies der idealste Zustand, aber Tatsache ist, dass er von der Graphitschicht beeinflusst wird. Lithiumbatterien werden während des Gebrauchs aufgrund des Einflusses mehrerer Faktoren wie der Formstruktur, der Kristallstruktur des Kathodenmaterials, der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten und der Temperatur allmählich abgeschwächt und verschlechtert, bis sie ungültig werden.

Wie werden sich Morphologie und Struktur der Graphitanode von Lithiumbatterien im Verlauf des Langzeitzyklus ändern? Das positive Elektrodenmaterial ist Lithiumkobaltoxid und das negative Elektrodenmaterial ist Graphit. Nachdem die Lithiumbatterie vorbereitet wurde, wird ein Langzeitzyklustest durchgeführt, und Proben werden zur Detektion und Analyse an verschiedenen Zyklusknoten entnommen.

1. Die Entwicklung der Morphologie der Graphitanode während des Langzeitzyklus

Der Lithiumbatterie-Zyklustest wurde 1000 Wochen lang durchgeführt, jeweils nicht zusammengebaut (a), aktiviert (b), 600 Zyklen (c), 700 Zyklen (d), 800 Zyklen (e), 900 Zyklen (f), 1000 Zyklen ( g) Das negative Polstück wird mittels REM analysiert und das Ergebnis ist in Abbildung 1 dargestellt:

Figure 1. REM-Aufnahme der Graphitanode nach verschiedenen Zyklen (5000-mal)

Es ist ersichtlich, dass Graphitmaterialien, ob nicht zusammengebaut, aktiviert oder recycelt, aus Partikeln im Bereich von Hunderten von Nanometern bis zu mehreren zehn Mikrometern bestehen und die Partikelgrößenverteilung nicht gleichmäßig ist und im vergrößerten Bild von kein Graphitmaterial gefunden wird 5000 mal. Das Aussehen ändert sich. In dem 50.000-fach vergrößerten Bild (Abbildung 2) hat der nicht zusammengebaute Graphit eine saubere Oberfläche, und nur die aktivierte Graphitoberfläche zeigt filmartige Substanzen, und diese filmartigen Substanzen existieren auch während der folgenden Ladung und auf der Graphitoberfläche Entladezyklen. Substanz. Nach dem EDS-Test und der Analyse wurde festgestellt, dass die nicht zusammengebaute Graphitelektrode nur das C-Element enthielt. Zusätzlich zum C-Element erschien das O-Element jedoch nur nach Aktivierung und verschiedenen Zyklen in der Graphitelektrode. Dieses Ergebnis zeigt, dass nur die aktivierte und zyklische Graphitelektrode O-haltiges Material erzeugt, was beweist, dass das filmartige Material ein SEI-Film ist.

Figure 2. REM-Aufnahmen der Graphitanode nach verschiedenen Zyklen (50.000 Mal)

2. Die Entwicklung der Struktur der Graphitanode während des Langzeitzyklus

Die möglichen Änderungen der Graphitanode während des Langzeitzyklus spiegeln sich hauptsächlich im Graphitschichtglas und in der Vergrößerung des Schichtabstands wider. XRD-Tests wurden an den nicht zusammengebauten Graphitelegativelektroden nach 600, 700, 800, 900 und 1000 Zyklen durchgeführt, und die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Gemäß der Bragg GG-Gleichung und der Scherrer GG-Formel ist die Der Zwischenschichtabstand d002, der Graphitierungsgrad, die Korngröße Lc und die Korngröße La des Graphitmaterials in Richtung der (002) -Kristallebene können berechnet werden.

Figure 3. XRD-Muster der Graphitanode nach verschiedenen Zyklen

Fig. 4 zeigt die Kurve von d002 und den Graphitierungsgrad der Graphitelektrode mit der Anzahl der Zyklen. Während der gesamten 1000 Lade- / Entladezyklen änderten sich der d002- und der Graphitisierungsgrad des Graphitelektrodenmaterials nur sehr wenig, aber d002 zeigte einen zunehmenden Trend und der Graphitisierungsgrad zeigte einen abnehmenden Trend.

Abbildung 4. Graphit d002 und Graphitisierungsgrad ändern sich mit der Anzahl der Zyklen

Fig. 5 ist der Graph der Kristallkorngröße Lc und La des Graphitelektrodenmaterials als Funktion der Anzahl von Zyklen. Das Lc, das nicht auf das 1000-fache zurückgeführt wird, zeigt einen allmählichen Abnahme-Trend, La hat keine offensichtliche Änderungsregel und sein Wert schwankt im Bereich von 47 bis 49 nm

Figure 5. Die Graphitkorngröße Lc und La ändert sich mit der Anzahl der Zyklen

Die Morphologie des Graphit-Negativpolstücks während des Langzeitzyklus wurde beobachtet, und das Ergebnis ist in 6 gezeigt. Die aktivierte Graphit-Negativelektrode ist gut verbunden und der Oberflächenzustand ist normal, aber das Elektrodenmaterial erscheint allmählich am Rand und Wicklungsfalte der Graphitelegativelektrode nach 100 und 1000 Zyklen. Da die Reaktionsaktivität am Ende der Graphitkante höher ist als die an der Basisebene, ist die Nebenreaktion am Ende der Kante intensiver, wodurch das Graphitmaterial eher abfällt. Während des gesamten langfristigen Lade- und Entladezyklus zeigt der Lc-Wert des Graphitmaterials einen abnehmenden Trend und d002 einen zunehmenden Trend. Der Lc-Wert ist das Produkt von d002 und der Anzahl der Graphitflocken im Korn, sodass die Anzahl der Graphitflocken im Korn einen abnehmenden Trend zeigt. Solche strukturellen Veränderungen manifestieren sich makroskopisch als Ablösen von Graphitmaterial.

Abbildung 6. Digitalfoto der Graphitanode nur nach Aktivierung, 100 Zyklen und 1000 Zyklen

Während der Verwendung von Lithiumbatterien tritt der Kapazitätsabfall häufig schneller auf, und die Strukturänderung der Graphitanode ist einer ihrer Hauptfaktoren. Wir können auch die angemessene Lebensdauer der Lithiumbatterie beurteilen, indem wir die Änderungen in der Struktur und Morphologie der negativen Graphitelektrode analysieren. Verwenden Sie es nicht mehr, wenn es nahe an diesem Parameter liegt, um zu verhindern, dass sich der Graphit der negativen Elektrode von der Kupferfolie löst und Sicherheitsrisiken verursacht.