Графіт для літій-іонних акумуляторів

Літій-іонні акумулятори займають ключову позицію в сучасній галузі зберігання енергії. І графіт, як один з ключових матеріалів літій-іонних акумуляторів, його важливість не можна недооцінювати. Графіт, шаруватий мінерал, утворений гексагональним розташуванням атомів вуглецю, має багато унікальних фізичних і хімічних властивостей. Вони роблять його ідеальним матеріалом для електродів літій-іонних акумуляторів. І забезпечують потужну підтримку розвитку сучасних електронних пристроїв та електромобілів, просуваючи технологію зберігання енергії вперед.

Як графіт використовується в акумуляторах?

Механізм вбудовування та виймання літію

Коли літій-іонна батарея заряджається, іони літію видаляються з матеріалу позитивного електрода і мігрують до негативного електрода через розчин електроліту. Оскільки графіт має шарувату кристалічну структуру, ці іони літію можуть вбудовуватися в шари графіту. Утворюючи структуру типу "сендвіч", а саме літій-графітову інтеркаляційну сполуку. У процесі розряду процес відбувається у зворотному напрямку. Іони літію з графітового шару повертаються до позитивного електроду. Електрони протікають у зовнішній ланцюг, генеруючи струм і живлячи таким чином зовнішні пристрої. Цей механізм вбудовування і вилучення є основним процесом накопичення енергії та вивільнення графіту як матеріалу негативного електрода для літій-іонних акумуляторів. А його оборотність і ефективність мають вирішальний вплив на загальну продуктивність акумулятора.

Процес електрохімічної реакції

З точки зору електрохімічної реакції, графітовий негативний електрод під час заряджання та розряджання акумулятора бере участь у складній окислювально-відновлювальній реакції (REDOX). На початковій стадії заряджання, активна ділянка на поверхні графіту спочатку адсорбує іони літію. Зі зменшенням потенціалу іони літію поступово вбудовувалися в шари графіту. А електрони надходили в графіт із зовнішнього ланцюга, щоб змусити графіт пройти реакцію відновлення. При розряді, навпаки, іони літію видаляються з графітового шару. Графіт окислюється, а електрони через зовнішній ланцюг надходять до позитивного електрода. Так завершується повний цикл електрохімічної реакції. У цьому процесі такі фактори, як склад і концентрація електроліту і властивості поверхні розділу між електродом і електролітом, впливають на швидкість, ефективність і стабільність електрохімічної реакції. А потім впливатимуть на продуктивність акумулятора.

Чому графіт використовується в літій-іонних батареях?

Взаємозв'язок між структурними характеристиками та продуктивністю

Шарувата структура графіту є ключовим структурним фактором для його широкого застосування в літій-іонних батареях. Ця шарувата структура робить графіт з великою відстанню між шарами. Це забезпечує достатньо місця для вбудовування та вилучення іонів літію. Це сприяє швидкому транспортуванню іонів, тим самим покращуючи показники співвідношення заряду-розряду акумулятора. У той же час сила Ван-дер-Ваальса між шарами слабка. Так що іони літію можуть відносно легко входити і виходити з графітового шару. Це знижує енергію активації реакції і підвищує енергоефективність акумулятора. Крім того, кристалічна структура графіту має високу стабільність. Вона може підтримувати цілісність структури під час багаторазового вбудовування і видалення іонів літію. Зменшити ослаблення ємності акумулятора, викликане структурним колапсом. І забезпечити тривалий термін служби акумулятора.

Переваги фізичних та хімічних властивостей

Графіт має хорошу електропровідність, може ефективно проводити електрони, зменшувати омічний опір всередині акумулятора. А також покращити ефективність заряду і розряду та енергетичні характеристики акумулятора. З точки зору хімічних властивостей графіт має високу хімічну стійкість. І йому нелегко вступати в хімічну реакцію з електролітом в робочому потенційному вікні акумулятора. Це дозволяє уникнути негативного впливу газів і домішок, викликаних побічними реакціями, на продуктивність батареї. Крім того, термостійкість графіту хороша. І він може певною мірою витримувати тепло, що утворюється в процесі заряджання і розряджання акумулятора. Це знижує ризик теплової втечі акумулятора і підвищує безпеку акумулятора. Це особливо важливо для великомасштабних систем зберігання енергії, електромобілів та інших сценаріїв застосування.

Графітова батарея проти літієвої батареї

Графітові акумулятори (зазвичай маються на увазі літій-іонні акумулятори з графітовим негативним електродом) відрізняються від літієвих за багатьма параметрами. З точки зору щільності енергії, графітова батарея є відносно зрілою і стабільною. І щільність енергії може відповідати більшості поточних сценаріїв. Нові літієві батареї, такі як кремній-Літієва батарея на основі кремнію має вищу теоретичну щільність енергії. Але матеріал на основі кремнію має велику зміну об'єму під час заряджання і розряджання, що впливає на стабільність життєвого циклу графітової батареї.

З точки зору вартості, запаси графіту багаті, технологія видобутку та переробки зріла. І вартість відносно низька, тоді як деякі нові літієві батареї мають високу вартість через рідкісні матеріали або складну підготовку.

З точки зору безпеки, графітова батарея має хорошу термічну стабільність, і їй нелегко з'явитися тепловою втечею. І нова літієва батарея потребує подальшого вдосконалення в цьому відношенні. В даний час графітові батареї широко використовуються, але літієві батареї швидко розвиваються в галузі наукових досліджень. І якщо літієві батареї прорвуть технічне вузьке місце в майбутньому, очікується, що це сформує конкурентну ситуацію з графітовими батареями в деяких областях високого класу.

Конкретні сценарії застосування графіту в літій-іонних батареях

Побутова електроніка

У смартфонах, планшетах, ноутбуках та інших побутових електронних пристроях літій-іонні акумулятори повинні мати високу щільність енергії, тривалий термін служби і високу безпеку. Щоб задовольнити попит споживачів на тонкі, портативні пристрої та тривалий час автономної роботи. Літій-іонні акумулятори з графітовим негативним електродом цілком відповідають цим вимогам і забезпечують стабільне та надійне живлення для побутової електроніки. А також дозволяють цим пристроям нормально працювати в різних складних сценаріях використання. Таких як тривалі дзвінки, високоінтенсивні ігри, відтворення відео тощо, стаючи незамінною частиною життя і роботи сучасних людей.

Сфера електромобілів

Зважаючи на глобальну стурбованість питаннями захисту навколишнього середовища та сталого розвитку електромобіль стрімко зростає. Літій-іонні акумулятори з графітовим негативом електрод забезпечують ключову енергетичну підтримку для електромобілів. А їх висока щільність енергії допомагає збільшити запас ходу електромобілів і зменшити кількість зарядів. Хороші показники збільшення можуть задовольнити високий попит на електроенергію електромобілів в умовах прискорення та підйому. Тривалий термін служби також знижує витрати на заміну акумулятора, підвищує економічність і надійність електромобілів. Це сприяє енергійному розвитку галузі електромобілів. А також допомагає зеленій трансформації світової автомобільної промисловості.

Сфера систем зберігання енергії

У виробництві відновлюваної енергії (наприклад, сонячної, вітрової), підключених до електромережі, "розумних" системах заповнення пікових навантажень, побутових системах зберігання енергії та інших системах зберігання енергії літій-іонні акумулятори повинні мати велику ємність, тривалий термін служби, високу безпеку і низьку вартість. Літій-іонні акумулятори з графітовим негативним електродом мають певні переваги в цих аспектах. Вони можуть ефективно зберігати надлишкову електричну енергію і вивільняти її при необхідності, балансувати попит і пропозицію електроенергії. Це покращує енергоефективність, підвищує стабільність і надійність електромережі. А також сприяє широкомасштабному застосуванню відновлюваних джерел енергії та оптимізації енергетичної структури.

 Ціна графітової батареї

Як відносно багатий мінеральний ресурс, графіт має відносно низьку вартість. Це робить літій-іонні акумулятори з графітовим негативним електродом певною мірою конкурентоспроможними за ціною. Однак зі стрімким розвитком ринку літій-іонних акумуляторів і постійним вдосконаленням вимог до продуктивності акумуляторів, якість і технологія обробки графіту також постійно вдосконалюються. Це певною мірою вплине на його вартість. Крім того, інші витрати на сировину, технологічні витрати, витрати на дослідження і розробки, а також фактори ринкового попиту і пропозиції в процесі виробництва акумуляторів також всебічно впливатимуть на кінцеву ціну графітових батарей. Загалом, поточна продуктивність графітових батарей є більш видатною з точки зору економічної ефективності. І він може задовольнити потреби більшості сценаріїв застосування. Але з розвитком технологій та змінами на ринку його ціна також може коливатися і відповідно коригуватися.

Висновок

Як важливий компонент літій-іонних акумуляторів, графіт відіграє життєво важливу роль у сфері зберігання енергії. Завдяки своїм унікальним фізичним і хімічним властивостям він має очевидні переваги в продуктивності, вартості та діапазоні застосування акумуляторів. Він широко використовується в багатьох галузях, таких як побутова електроніка, електромобілі та системи зберігання енергії. Це сприяє розвитку сучасної науки і техніки та суспільства.