1989'da SONY, petrol kokunun şarj edilebilir pillerde lityumun yerini alabileceğini keşfetti. Bu, büyük ölçekli lityum iyon pil uygulamalarının başlangıcını işaret etti. Anot malzemeleri üzerine araştırmalar o noktadan itibaren başladı. Sonraki 30 yıl boyunca, üç nesil anot malzemesi ortaya çıktı. Bunlara karbon, lityum titanat ve silikon bazlı malzemeler dahildir. Bu makale şunları sınıflandırır: Lityum Pil Anot Malzemeleri yapılarına göre ve özelliklerini ve performanslarını kısaca tanıtmaktadır. Ayrıca malzeme iyileştirmeleri ve geliştirme yönlerindeki ilerlemeyi gözden geçirmektedir. Odak noktası, yeni nesil yüksek enerji yoğunluklu anot malzemeleridir. Bu malzemelerin gelecekteki eğilimleri ve mevcut durumu vurgulanmaktadır.
Karbon Malzemeler
Karbon malzemeler günümüzde en yaygın kullanılan ticari Lityum Pil Anot Malzemeleridir. Bunlar esas olarak doğal grafit, yapay grafit, sert karbon, yumuşak karbon ve MCMB'yi içerir. Yeni nesil anotlar olgunlaşmadan önce karbon, özellikle grafit, ana akım tercih olmaya devam edecektir.
Grafit
Grafit, ham maddelere ve işleme yöntemlerine göre doğal ve yapay olmak üzere iki türe ayrılır. Düşük lityum potansiyeli, yüksek başlangıç verimliliği, iyi çevrim kararlılığı ve düşük maliyeti nedeniyle grafit, günümüz lityum iyon pil uygulamaları için ideal anot malzemesi haline gelmiştir.
Doğal grafit: Genellikle hammadde olarak doğal pul grafit kullanılır, daha sonra modifikasyon yoluyla küresel grafit haline getirilir.
Yaygın olarak kullanılmasına rağmen, doğal grafitin birkaç dezavantajı vardır: Birçok yüzey kusuru ve büyük özgül yüzey alanı düşük başlangıç verimliliğine yol açar. PC tabanlı elektrolitlerde, solvatlanmış lityum iyonlarının şiddetli eş-araya girmesi meydana gelir ve bu da katman genişlemesine ve soyulmaya neden olur. Güçlü anizotropi, lityumun kenar düzlemlerine yerleştirilmesini sınırlar ve bu da düşük hız performansına ve lityum kaplama riskine neden olur.
Doğal grafitin modifikasyonu:
Doğal grafitin yüzey kusurlarını ve elektrolit toleransının düşük olmasını gidermek için çeşitli yüzey aktif maddeler modifikasyon amacıyla kullanılmaktadır.
Doğal grafitteki güçlü anizotropiyi gidermek için endüstriyel üretimde küreselleştirme için sıklıkla mekanik şekillendirme kullanılır. Jet değirmeni parçacık çarpışmalarına neden olmak ve keskin kenarları düzeltmek için hava darbesini kullanır. Bu yöntem, kirlilik katkısını önler ve yüksek küreselleştirme verimliliği sunar.
Ancak önemli miktarda parçacık tozlaşmasına neden olur ve bu da düşük verime yol açar.
Yapay grafit: Genellikle yoğun petrol kok veya iğne kok öncüllerinden yapılır ve doğal grafitte bulunan yüzey kusurlarından kaçınılır. Ancak yine de düşük hız performansı, düşük sıcaklık davranışı ve kristal anizotropisi nedeniyle lityum kaplama sorunları yaşar. Doğal grafitten farklı olarak yapay grafit, yönelim indeksini (OI) azaltmak için parçacık morfolojisinin yeniden yapılandırılmasıyla modifiye edilir. Genellikle, zift veya benzeri grafitlenebilir bağlayıcılarla birlikte 8–10 μm iğne kok öncül olarak kullanılır. Döner fırın işlemiyle, birkaç parçacık ikincil parçacıklara (D50: 14–18 μm) bağlanır, ardından grafitlenir ve OI değeri etkili bir şekilde düşürülür.
Yumuşak karbon
Yumuşak karbon, grafitlenebilir karbon olarak da bilinir, 2500 °C'nin üzerinde grafitlenebilen amorf karbon malzemeleri ifade eder. Öncülün sinterleme sıcaklığına bağlı olarak, yumuşak karbon üç kristal yapı oluşturabilir: amorf, turbostratik (düzensiz) ve grafit yapısı - ikincisi tipik yapay grafittir. Düşük kristalliliğe ve büyük katmanlar arası boşluğa sahip amorf yumuşak karbon, iyi elektrolit uyumluluğuna sahiptir. Sonuç olarak, mükemmel düşük sıcaklık performansı ve iyi hız kapasitesi sunarak yaygın ilgi görmektedir.
Yumuşak karbon, ilk şarj ve deşarj sırasında yüksek geri döndürülemez kapasiteye, daha düşük bir çıkış voltajına ve belirgin şarj/deşarj platolarına sahip değildir. Sonuç olarak, genellikle bağımsız olarak bir anot malzemesi olarak değil, bir kaplama veya bileşen.
Sert karbon
Sert karbon, grafitleştirilemeyen karbon olarak da bilinir, 2500°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda bile grafitleştirilmesi zordur. Tipik olarak öncüllerin 500–1200°C'de ısıl işlemiyle üretilir. Yaygın sert karbon türleri arasında reçine karbon, organik polimer piroliz karbonu, karbon siyahı, ve biyokütle karbonu. Fenolik reçine, 800°C'de pirolize edildiğinde, 800 mAh/g'a kadar bir başlangıç şarj kapasitesine ve 0,37 nm'den büyük bir d002 ara katman aralığına sahip sert karbon oluşturur (grafit için 0,3354 nm ile karşılaştırıldığında). Daha büyük ara katman aralığı, lityum iyon yerleştirme ve çıkarmayı kolaylaştırır ve sert karbona mükemmel şarj/deşarj performansı sağlar. Bu, sert karbonu anot malzemeleri için yeni bir araştırma odağı haline getirir. Ancak, dezavantajları arasında yüksek başlangıç geri döndürülemez kapasitesi, voltaj platosu histerezisi, düşük musluk yoğunluğu ve göz ardı edilemeyecek gaz üretme eğilimi bulunur.
Lityum titanat malzemesi
Lityum titanat (LTO): Lityum titanat (LTO), metalik lityum ve düşük potansiyelli geçiş metali titanyumdan oluşan bir kompozit oksittir. AB₂X₄ serisi spinel tipi katı çözeltilere aittir. LTO'nun teorik özgül kapasitesi 175 mAh/g'dir ve gerçek özgül kapasitesi 160 mAh/g'den büyüktür. Zaten ticarileştirilmiş olan Lityum Pil Anot Malzemelerinden biridir.
Avantaj
Sıfır gerilme özelliği: LTO'nun kafes parametresi a = 0,836 nm'dir. Şarj/deşarj sırasında, lityum yerleştirme/çıkarma kristal yapısı üzerinde minimum etkiye sahiptir. Bu, hacim genişlemesi/daralmasından kaynaklanan yapısal değişiklikleri önleyerek ona mükemmel elektrokimyasal kararlılık ve çevrim ömrü kazandırır.
Lityum kaplama riski yok: LTO, 1,55 V'luk yüksek bir lityum yerleştirme potansiyeline sahiptir. İlk şarj sırasında SEI filmi oluşmaz, bunun sonucunda yüksek ilk çevrim verimliliği, iyi termal kararlılık, düşük arayüz direnci ve mükemmel düşük sıcaklık performansı elde edilir; -40°C'de şarj edilebilir.
3D hızlı iyon iletkeni: LTO, grafitin katmanlar arası boşluğundan çok daha büyük lityum yollarına sahip 3 boyutlu bir spinel yapıya sahiptir.
İyonik iletkenliği grafitten bir mertebe daha yüksek olduğundan yüksek hızlı şarj/deşarj için idealdir.
Dezavantajı
LTO'nun ayrıca düşük özgül kapasitesi ve voltaj platosu nedeniyle dezavantajları vardır ve bu da düşük enerji yoğunluğuna neden olur. Nanoyapılı formu oldukça higroskopiktir ve şiddetli gaz oluşumuna ve zayıf yüksek sıcaklık çevrimine neden olur. Malzeme üretim süreci karmaşık ve maliyetlidir. Sonuç olarak, LTO hücre maliyetleri eşdeğer enerjili LFP'nin üç katından daha fazladır (lityum demir fosfat) hücreleri.
Malzemelerin uygulanması
LTO'nun avantajları ve dezavantajları oldukça belirgindir ve performans özellikleri oldukça uç noktalardadır. Bu nedenle, güçlü yönlerinin tam olarak kullanılabileceği belirli niş alanlarda en iyi şekilde uygulanır. Şu anda, LTO pilleri çoğunlukla kentsel saf elektrikli BRT otobüslerinde, elektrikli hibrit otobüslerde ve elektrik şebekesi frekans düzenleme ve tepe tıraşlama hizmetlerinde kullanılmaktadır.
Silika bazlı malzeme
Silisyum, 4200 mAh/g'a kadar teorik özgül kapasitesiyle en umut verici Lityum Pil Anot Malzemelerinden biri olarak kabul edilir; bu, grafitin 10 katından fazladır. Lityum yerleştirme potansiyeli karbondan daha yüksektir, bu da lityum kaplama riskini azaltır ve güvenliği artırır. Mevcut araştırma iki ana yöne odaklanmaktadır: nano-silikon karbon kompozitleri ve silikon oksit (SiOx) anot malzemeleri.
Uygulama zorlukları:
- Lityumlama/delitiyasyon sırasında oluşan büyük hacim genişlemesi ve büzülmesi, partikül tozlaşmasına ve elektrot yapısının hasar görmesine neden olarak elektrokimyasal performans kaybına yol açar.
- Hacim değişimleri nedeniyle sürekli SEI film kırılması ve yeniden oluşturulması elektrolit ve geri dönüşümlü lityum tüketir, kapasite azalmasını hızlandırır ve şarj/deşarj verimliliğini önemli ölçüde düşürür.
Bu sorunları çözmek için araştırmacılar aktif olarak silikon anot performansını iyileştirmek için yeni yöntemler araştırıyorlar. Ana akım yaklaşım, temel malzeme olarak grafit kullanmak ve kütlece nano-silikon veya SiOx'a 5%–10% eklemektir. Bunlar daha sonra hacim değişimlerini bastırmak ve döngü kararlılığını artırmak için karbonla kaplanır.
Çözüm
Bu makale, çeşitli lityum iyon pil anot malzemelerinin yapısal özelliklerini ve işlevsel özelliklerini özetlemektedir. Lityum iyon pillerde kullanılan farklı anot malzemeleri üzerindeki son araştırma ilerlemelerini gözden geçirmektedir. Sürekli iyileştirme ve modifikasyonla, silikon bazlı malzemeler en umut verici yeni nesil anotlar olarak ortaya çıkmıştır. Ancak, içsel büyük hacim genişlemeleri ve zayıf çevrim performansları, büyük ölçekli uygulamaları engellemektedir.
Birçok yeni modifikasyon yöntemi karmaşık süreçler ve yüksek maliyetler gibi zorluklarla karşı karşıyadır. Bu, temel prensiplerin daha derin anlaşılmasını ve kompozit nano-silikon malzemeler üretmek için basit, etkili yöntemlerin geliştirilmesini gerektirir. Amaç, düşük genleşme, yüksek başlangıç verimliliği, yüksek hız kapasitesi ve güvenliğe sahip lityum iyon piller üretmektir; bu da silikon anotların grafitin yerini alması ve elektrikli araç uygulamalarında çığır açması için bir yol açar.
Epik toz
Epik Toz, Ultra ince toz endüstrisinde 20+ yıllık iş deneyimi. Ultra ince tozun gelecekteki gelişimini aktif olarak teşvik edin, ultra ince tozun ezilmesi, öğütülmesi, sınıflandırılması ve modifikasyon sürecine odaklanın. Ücretsiz danışmanlık ve özelleştirilmiş çözümler için bizimle iletişime geçin! Uzman ekibimiz, toz işleme değerinizin en üst düzeye çıkarılması için yüksek kaliteli ürünler ve hizmetler sunmaya kendini adamıştır. Epic Powder—Güvenilir Toz İşleme Uzmanınız!