Графітовий анод

Матеріал графітового анода

Чому вибирають графіт для анодів?

Графіт відомий як один з найпоширеніших анодних матеріалів у літій-іонних акумуляторах завдяки своїй високій електронній провідності як об'ємної, так і поверхневої, а також електрохімічній стабільності під час процесів інтеркаляції/деінтеркаляції, що включають (де)вставлення іонів літію під час циклу. Це важливо для акумуляторів з тривалим терміном служби, оскільки іони літію можуть заповнювати графітову структуру, не пошкоджуючи її. Більше того, графіт набагато менш важкий і хімічно інертний порівняно, скажімо, зі сталлю або іншою речовиною. Насправді, графітовий анод є кращим за інші інертні електроди.

Важливість провідності

Причиною вибору графіту для анода є те, що він є хорошим провідником; під час заряджання або розряджання електрони можуть вільно рухатися в графіті. Це зберігає заряд акумулятора, щоб забезпечити живленням кожну з рамок, які на нього покладаються. Це дуже важливо, адже без дивовижної провідності графіту батарея просто не змогла б функціонувати.

Графіт у літій-іонних акумуляторах

Графітові аноди незамінні для літій-іонних акумуляторів. Під час заряджання іони літію інтеркалюють між шарами графіту. При розряді вони повертаються назад до катода, де цей рух генерує електричний струм, який може бути використаний для живлення ваших гаджетів. Здатність графіту оборотно накопичувати величезну кількість електричної енергії робить його незамінним резервуаром для зберігання та вивільнення електроенергії в літій-іонних акумуляторах.

Літій-іонний акумулятор проти графітового акумулятора

Найсуттєвіша відмінність, яка відрізняє графітові батареї від літій-іонних, полягає в матеріалі анода. На відміну від традиційних літій-іонні акумуляториДеякі нові технології використовують кремній (а не лише графіт) як анодний матеріал. У цій боротьбі між двома робочими конячками графіт виграє за тривалістю циклу, тоді як кремній виграє за щільністю потенційної енергії. Проблема, однак, полягає в тому, що кремнієві аноди під час заряджання дають неприємне розбухання, що призводить до фатальних структурних пошкоджень акумуляторних батарей. Тим не менш, графіт є більш поширеним матеріалом, який поєднує в собі продуктивність і надійність.

Процес електролізу з графітовим анодом

Під час процесів заряджання та розряджання літій-іонних акумуляторів у графітовому аноді відбувається електрохімічна реакція. На клітинному рівні на аноді батарея працює за принципом електролізу, де заряджені іони літію проникають всередину і фіксуються в графіті. З вивільненням іонів при розряді ці іони ще раз надходять на катод, вивільняючи енергію. Цей процес також є реверсивним, що дозволяє перезаряджати батарею незліченну кількість разів, перш ніж вона завдасть серйозної шкоди графітовому аноду.

Порівняння графітового та кремнієвого анодів

Вища теоретична ємність кремнієвих анодів (порівняно з типовими графітовими) викликала певний інтерес до цього матеріалу. Використання кремнію замість графіту є вигідним, оскільки він має вищу ємність для зберігання іонів літію і, таким чином, може збільшити щільність енергії акумулятора. Але кремній має суттєвий недолік: він різко розбухає і стискається, коли батарея заряджається і розряджається. Коли це відбувається, анод розбухає, що зазвичай призводить до його розтріскування і, зрештою, виходу з ладу. На відміну від нього, графіт може зберігати свою структуру протягом багатьох циклів заряджання-розряджання, що робить його довговічнішим і надійнішим для довготривалого використання. Хоча аноди на основі кремнію можуть стати майбутнім для акумуляторів великої ємності, більшість застосувань все ще покладаються на старий добрий графіт.

Графітовий катод проти анода

У літій-іонному акумуляторі ролі анода і катода міняються місцями. Під час заряджання іони літію накопичуються на аноді, а під час розряджання віддаються на катоді. На практиці анодом є графіт через його хімічні властивості щодо інтеркаляції літію. Натомість інші матеріали використовуються в катод - наприклад, літій-кобальт-оксид або залізо-фосфат - які краще пропускають ці іони всередину і вловлюють їх назад. Ось чому для того, щоб зрозуміти функцію акумулятора, потрібно думати про анод і катод, виходячи з їхньої ідентичності.

Процес виготовлення графітових анодів

Перша полягає в тому, що сировинний графіт необхідно очистити і видалити домішки, такі як кремнійз якого витягують залізо або кисень. На наступному етапі графіт змішується зі зв'язуючими речовинами, щоб отримати пасту. Потім цю пасту наносять на мідну фольгу, яка слугує струмоприймачем. Потім цей матеріал сушать і ущільнюють таким чином, щоб забезпечити його рівномірну товщину по всій поверхні після нанесення шару наповнювача. Аноди нагрівають до високих температур, щоб вони набули своїх електрохімічних властивостей. Потім їх вирізають до потрібних форм і розмірів, після чого вони остаточно обробляються для включення в батареї.

Чому анод зроблено з графіту, а не зі сталі?

Сталь має низьку електропровідність, тому літій не може бути інтеркальований в сталь. Це значно знизило б продуктивність батареї. З іншого боку, графіт є дуже хорошим провідником і може переносити рух іонів літію без особливих руйнувань. Графіт також є чудовим кандидатом на роль анода акумулятора, враховуючи як вагу, так і хімічну стабільність/стійкість до корозії, навіть більше, ніж такі матеріали, як сталь.

Застосування графітових анодів

Графітові аноди мають безліч застосувань, окрім літій-іонних акумуляторів. Вони використовуються в електрохімічних реакціях, наприклад, в електролізі води, де вони допомагають розщеплювати воду на водень і кисень за допомогою графіту. Графітові аноди також використовуються в інших типах батарей (наприклад, натрій-іонних) та накопичувачах енергії. Синтетичний графітовий анод є ключовим матеріалом для переходу до відновлюваної енергетики, оскільки він дозволяє зберігати непостійну природу відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова енергія.