Графитовый анод

Материал графитового анода

Почему стоит выбрать графит для анодов?

Графит известен как один из наиболее широко используемых анодных материалов в литий-ионных аккумуляторах благодаря высокой электронной проводимости как объемных, так и поверхностных графтов, а также электрохимической стабильности в процессах интеркаляции/деинтеркаляции с (де)внедрением литий-ионов во время циклирования. Это важно для долговечных батарей, поскольку означает, что ионы лития могут заполнять графитовую структуру, не повреждая ее. Кроме того, графит он гораздо менее тяжелый и химически инертный, чем, скажем, сталь или другое вещество. Фактически, графитовый анод предпочтительнее других инертных электродов.

Важность электропроводности

Причина выбора графита в качестве анода заключается в том, что он является хорошим проводником; во время зарядки или разрядки электроны могут свободно перемещаться в графите. Это позволит сохранить заряд батареи, чтобы обеспечить энергией каждый из элементов, которые от нее зависят. Это очень важно, потому что без удивительной проводимости графита батарея не смогла бы работать.

Графит в литий-ионных аккумуляторах

Графитовые аноды незаменимы для литий-ионных аккумуляторов. При зарядке ионы лития интеркалируются между слоями графита. При разряде они перемещаются обратно к катоду, где в результате этого движения образуется электрический ток, который можно использовать для питания гаджетов. Способность графита обратимо накапливать огромное количество электрической энергии делает его незаменимым резервуаром для хранения и высвобождения электричества в литий-ионных батареях.

Литий-ионный аккумулятор против графитового аккумулятора

Самое существенное отличие графитовых батарей от литий-ионных заключается в материале анода. В отличие от традиционных литий-ионные батареиВ некоторых новых технологиях в качестве анодного материала используется кремний (а не только графит). В этом противостоянии двух рабочих лошадок графит выигрывает по сроку службы, а кремний - по потенциальной плотности энергии. Проблема, однако, в том, что кремниевые аноды дают неприятное вздутие во время зарядки, что приводит к фатальным структурным повреждениям аккумуляторных блоков. Тем не менее, графит является более распространенным материалом, сочетающим в себе производительность и надежность.

Процесс электролиза графитового анода

Во время зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов в графитовом аноде происходит электрохимическая реакция. На клеточном уровне в аноде батарея работает на электролизе, где заряженные ионы лития проходят внутрь и захватываются графитом. При разряде эти ионы снова поступают на катод, высвобождая энергию. Этот процесс также является обратимым, что позволяет заряжать аккумулятор бесчисленное количество раз, прежде чем он нанесет серьезный ущерб графитовому аноду.

Сравнение графитового и кремниевого анодов

Более высокая теоретическая емкость кремниевых анодов (по сравнению с обычными графитовыми) вызвала определенный интерес к этому материалу. Использование кремния вместо графита выгодно, так как он обладает большей емкостью для хранения ионов лития и, следовательно, может увеличить плотность энергии батареи. Однако у кремния есть существенный недостаток: он сильно разбухает и сжимается по мере зарядки и разрядки батареи. Когда это происходит, анод разбухает, что обычно приводит к его растрескиванию и окончательному выходу из строя. Графит же, напротив, способен сохранять свою структуру в течение многих циклов заряда-разряда, что делает его более прочным и надежным для длительного применения. Хотя аноды на основе кремния могут стать будущим для аккумуляторов высокой емкости, в большинстве случаев все еще используется старый добрый графит.

Графитовый катод и анод

В литий-ионном аккумуляторе роли анода и катода меняются местами. Во время зарядки ионы лития живут на аноде, а во время разрядки они отдаются на катоде. На практике в качестве анода используется графит из-за его химических свойств, связанных с интеркаляцией лития. Вместо него используются другие материалы катод - Например, оксид кобальта лития или фосфат железа - они лучше пропускают ионы внутрь и задерживают их обратно. Вот почему, чтобы понять принцип работы батареи, нужно думать об аноде и катоде по их идентичности.

Процесс производства графитовых анодов

Во-первых, сырьевой графит должен быть очищен от примесей, таких как кремнийИз него извлекают железо или кислород. На следующем этапе графит смешивают со связующими веществами, чтобы получить пасту. Затем эта паста наносится валиком на медную фольгу, которая служит токоприемником. Затем этот материал высушивается и уплотняется таким образом, чтобы обеспечить равномерную толщину по всему периметру после нанесения слоя заполнения. Аноды нагреваются до высоких температур, чтобы они приобрели свои электрохимические свойства. Затем их разрезают на части нужных форм и размеров и окончательно подготавливают для установки в батареи.

Почему анод сделан из графита, а не из стали?

Сталь обладает низкой электропроводностью, поэтому литий не может быть интеркалирован в сталь. Это сильно снизит производительность батареи. С другой стороны, графит является очень хорошим проводником и может переносить движение ионов лития без сильного разрушения. Графит также является отличным кандидатом для анодов аккумуляторов, если учитывать как вес, так и химическую стабильность/устойчивость к коррозии, в большей степени, чем такие материалы, как сталь.

Области применения графитовых анодов

Графитовые аноды используются не только в литий-ионных аккумуляторах. Они используются в электрохимических реакциях, например, при электролизе воды, когда с помощью графита происходит расщепление воды на водород и кислород. Графитовые аноды также используются в других типах батарей (например, в натриево-ионных) и накопителях энергии. Синтетический графитовый анод - ключевой материал, используемый при переходе к возобновляемым источникам энергии, поскольку он позволяет аккумулировать прерывистый характер возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер.