Графит для литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы занимают ключевое место в современной сфере хранения энергии. И значение графита, как одного из ключевых материалов литий-ионных батарей, нельзя недооценивать. Графит, слоистый минерал, образованный гексагональным расположением атомов углерода, обладает множеством уникальных физических и химических свойств. Они делают его идеальным выбором для электродных материалов литий-ионных аккумуляторов. И обеспечивают мощную поддержку развитию современных электронных устройств и электромобилей, продвигая вперед технологии хранения энергии.

Как графит используется в аккумуляторах?

Механизм встраивания и удаления лития

Когда заряжается литий-ионный аккумулятор, ионы лития удаляются из материала положительного электрода и мигрируют к отрицательному электроду через раствор электролита. Поскольку графит имеет слоистую кристаллическую структуру, эти ионы лития могут встраиваться в слои графита. Образуя "сэндвич"-подобную структуру, а именно литий-графитовое интеркаляционное соединение. В процессе разряда процесс происходит в обратном направлении. Ионы лития из графитового слоя возвращаются к положительному электроду. Электроны текут во внешнюю цепь, генерируя ток и питая внешние устройства. Этот механизм внедрения и выемки является основным процессом накопления и высвобождения энергии графита в качестве материала отрицательного электрода для литий-ионных батарей. А его обратимость и эффективность оказывают решающее влияние на общую производительность батареи.

Процесс электрохимической реакции

С точки зрения электрохимической реакции, на графитовом отрицательном электроде происходит сложная REDOX-реакция в процессе зарядки и разрядки аккумулятора. На начальном этапе зарядки активный участок на поверхности графита сначала адсорбирует ионы лития. С уменьшением потенциала ионы лития постепенно внедряются в графитовые слои. А электроны, поступающие в графит из внешней цепи, заставляют графит проходить реакцию восстановления. При разрядке, наоборот, ионы лития удаляются из графитового слоя. Графит окисляется, и электроны поступают на положительный электрод через внешнюю цепь. Таким образом, завершается полный цикл электрохимической реакции. В этом процессе такие факторы, как состав и концентрация электролита, а также свойства поверхности раздела между электродом и электролитом, влияют на скорость, эффективность и стабильность электрохимической реакции. А затем влиять на производительность батареи.

Почему графит используется в литий-ионных батареях?

Взаимосвязь между структурными характеристиками и производительностью

Многослойный структура графита является ключевым структурным фактором для его широкого применения в литий-ионных батареях. Благодаря слоистой структуре графит имеет большое расстояние между слоями. Это обеспечивает достаточно места для встраивания и высаживания ионов лития. Это способствует быстрому переносу ионов, улучшая тем самым соотношение заряда и разряда батареи. В то же время силы Ван-дер-Ваальса между слоями слабые. Таким образом, ионы лития могут относительно легко входить и выходить из графитового слоя. Это снижает энергию активации реакции и повышает энергоэффективность батареи. Кроме того, кристаллическая структура графита обладает высокой стабильностью. Она может сохранять целостность структуры при многократном внедрении и удалении ионов лития. Снизить ослабление емкости батареи, вызванное разрушением структуры. И обеспечить длительный срок службы батареи.

Преимущества физических и химических свойств

Графит обладает хорошей электропроводностью, может эффективно проводить электроны, уменьшать омическое сопротивление внутри батареи. А также повысить эффективность заряда и разряда и энергетические характеристики батареи. С точки зрения химических свойств, графит обладает высокой химической стабильностью. И ему нелегко вступить в химическую реакцию с электролитом в рабочем потенциальном окне батареи. Это позволяет избежать негативного влияния газов и примесей, образующихся в результате побочных реакций, на характеристики батареи. Кроме того, графит обладает хорошей термической стабильностью. Он в определенной степени выдерживает тепло, выделяемое в процессе зарядки и разрядки батареи. Это снижает риск теплового разряда батареи и повышает ее безопасность. Это особенно важно для крупномасштабных систем хранения энергии, электромобилей и других сценариев применения.

Графитовый аккумулятор против литиевого

Графитовые батареи (обычно под ними подразумеваются литий-ионные батареи с графитом в качестве отрицательного электрода) во многом отличаются от литиевых. С точки зрения плотности энергии графитовые батареи относительно зрелые и стабильные. А плотность энергии может удовлетворить большинство современных сценариев. Новые литиевые батареи, такие как кремний-Литиевая батарея на основе кремния имеет более высокую теоретическую плотность энергии. Однако материал на основе кремния сильно изменяет объем во время заряда и разряда, что влияет на стабильность жизненного цикла графитовой батареи.

С точки зрения стоимости, запасы графита богаты, технологии добычи и переработки отработаны. И его стоимость относительно невысока, в то время как некоторые новые литиевые батареи имеют высокую стоимость из-за редких материалов или сложной подготовки.

Что касается безопасности, то графитовая батарея обладает хорошей термической стабильностью и не так легко выходит из строя. А новые литиевые батареи нуждаются в дальнейшем совершенствовании в этом отношении. В настоящее время широко используются графитовые батареи, но литиевые батареи быстро развиваются в области научных исследований. И если в будущем литиевые батареи преодолеют технические узкие места, ожидается, что они составят конкуренцию графитовым батареям в некоторых высокотехнологичных областях.

Конкретные сценарии применения графита в литий-ионных батареях

Потребительская электроника

В смартфонах, планшетах, ноутбуках и других потребительских электронных устройствах литий-ионные батареи должны обладать высокой плотностью энергии, длительным сроком службы и хорошей безопасностью. Чтобы удовлетворить спрос потребителей на тонкие, портативные устройства и длительное время автономной работы. Литий-ионные батареи с графитовым отрицательным электродом вполне могут удовлетворить эти требования и обеспечить стабильное и надежное питание для потребительских электронных устройств. И сделать эти устройства способными нормально работать в различных сложных сценариях использования. Например, при длительных разговорах, играх высокой интенсивности, воспроизведении видео и т.д., становясь незаменимой частью жизни и работы современных людей.

Поле для электромобилей

В связи с глобальной заботой об охране окружающей среды и устойчивом развитии электромобиль рынок стремительно растет. Литий-ионные аккумуляторы с графитовым негативом электрод обеспечивают ключевую энергетическую поддержку электромобилей. Их высокая плотность энергии помогает увеличить запас хода электромобилей и сократить количество подзарядок. Хорошие характеристики увеличения могут удовлетворить высокую потребность электромобилей в энергии в условиях ускорения и подъема. Длительный срок службы также снижает стоимость замены батарей, повышает экономичность и надежность электромобилей. Это способствует активному развитию индустрии электромобилей. А также способствует "зеленой" трансформации мировой автомобильной промышленности.

Область применения систем хранения энергии

В возобновляемых источниках энергии (таких как солнечная энергия, энергия ветра), подключенных к электросети, в интеллектуальных сетях пикового заполнения, в бытовых накопителях энергии и других системах хранения энергии, литий-ионные батареи должны обладать большой емкостью, длительным сроком службы, высокой безопасностью и низкой стоимостью. Литий-ионные батареи с графитовым отрицательным электродом имеют определенные преимущества в этих аспектах. Они могут эффективно хранить избыточную электрическую энергию и высвобождать ее при необходимости, балансировать спрос и предложение электроэнергии. Это повышает энергоэффективность, улучшает стабильность и надежность энергосистемы. Кроме того, это способствует широкомасштабному применению возобновляемых источников энергии и оптимизации энергетической структуры.

 Цена графитового аккумулятора

Будучи относительно богатым минеральным ресурсом, графит имеет относительно низкую стоимость. Благодаря этому литий-ионные батареи с графитом в качестве отрицательного электрода обладают определенной конкурентоспособностью по цене. Однако с быстрым развитием рынка литий-ионных батарей и постоянным повышением требований к их характеристикам качество и технология обработки графита также постоянно совершенствуются. Это в определенной степени влияет на его стоимость. Кроме того, другие затраты на сырье, технологические расходы, затраты на исследования и разработки, а также факторы спроса и предложения на рынке в процессе производства батарей также будут оказывать всестороннее влияние на конечную цену графитовых батарей. В целом, текущие характеристики графитовых батарей являются более выдающимися с точки зрения стоимости. И они могут удовлетворить потребности большинства сценариев применения. Но с развитием технологий и изменением рынка цена на них также может колебаться и соответственно меняться.

Заключение

Являясь важным компонентом литий-ионных батарей, графит играет жизненно важную роль в области хранения энергии. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам он имеет очевидные преимущества в производительности, стоимости и области применения батарей. Он широко используется во многих областях, таких как бытовая электроника, электромобили и системы хранения энергии. Он способствует развитию современной науки и техники и общества.