1. Đầu tiên hãy xem carbon vô định hình: nó là gì?

1.1 Sự khác biệt giữa hệ thống than chì và carbon vô định hình

Than chì chủ yếu có cấu trúc lục giác xếp chồng ABAB (2H hoặc pha) và cấu trúc hình thoi xếp chồng ABCABC (3R hoặc pha). Hai giai đoạn của than chì có thể được chuyển đổi cho nhau. Các quy trình như xử lý cơ học có thể làm tăng tỷ lệ thành phần pha trong than chì. Ủ ở nhiệt độ cao Sẽ tạo ra một pha ổn định hơn về mặt nhiệt động. Than chì đã trở thành vật liệu điện cực âm phổ biến nhất cho pin lithium-ion thương mại do cấu trúc xếp chồng theo thứ tự tầm xa, độ dẫn điện tốt, công suất riêng cao và hiệu suất chu kỳ tốt. Nguyên liệu thô chủ yếu là nhựa đường, dầu mỏ, v.v. Than cốc và than chì tự nhiên, khoảng cách giữa các lớp khoảng 0,335 đến 0,34nm. Carbon vô định hình chủ yếu bao gồm carbon cứng và carbon mềm, thường bao gồm các cấu trúc vi mô được graphit hóa phân bố ngẫu nhiên, các tấm nano graphene xoắn và lỗ chân lông giữa các cấu trúc vi mô trên, thiếu cấu trúc xếp chồng có trật tự. Trong số đó, carbon mềm, còn được gọi là carbon có thể graphit hóa, sẽ biến thành than chì ở nhiệt độ cao trên 2800°C. Các tinh thể tương tự như than chì nhưng có mức độ trật tự thấp hơn. Cấu trúc vi tinh thể được graphit hóa trong phạm vi ngắn có lợi cho việc xen kẽ và lưu trữ natri. Cacbon cứng là loại cacbon không thể graphit hóa được, rất khó để graphit hóa ngay cả khi được nung nóng đến 2800°C. Cấu trúc của nó rất hỗn loạn và khả năng oxy hóa khử của nó thấp. Nó được coi là vật liệu cực dương lý tưởng cho pin natri-ion.

1.2. Lựa chọn vật liệu cực dương carbon cho pin natri-ion

Mặc dù bản thân than chì có dung lượng lưu trữ lithium tốt (372mAh / g), nhưng nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực pin lithium-ion, nhưng do bán kính lớn của các ion natri, nó cản trở việc chèn và chiết xuất các ion natri. trong quá trình sạc và xả. Than chì không thể là vật liệu điện cực âm thích hợp cho pin natri-ion. Mọi người cũng đã thử nhiều phương pháp khác nhau để cải thiện hiệu suất lưu trữ natri của than chì, nhưng cho đến nay kết quả vẫn chưa khả quan. Phương pháp đầu tiên là mở rộng khoảng cách của các lớp than chì để cải thiện hiệu suất lưu trữ natri của nó. Người ta thấy rằng than chì mở rộng với khoảng cách các lớp là 0,43nm có dung lượng cụ thể là 184mAh/g sau 2000 chu kỳ với tốc độ 5C và tỷ lệ duy trì dung lượng là 73,92%. Tuy nhiên, từ phổ nhiễu xạ tia X, người ta thấy rằng cấu trúc có trật tự trong than chì mở rộng bị phá hủy, về cơ bản là sự vô định hình của than chì mở rộng. Nó có thể tạo ra nhiều Na+ bị khử xen kẽ thuận nghịch hơn trong than chì, nhưng oxit than chì đã khử này vẫn có vấn đề về ICE thấp (chủ yếu là do sự phân hủy chất điện phân không thể tránh khỏi và mối quan hệ không thể đảo ngược giữa Na+ và các nhóm chức chứa oxy trên tấm oxit than chì bị khử. phản ứng dẫn đến sự hình thành màng SEI dày), trong khi cơ chế lưu trữ Na+ trong oxit than chì khử vẫn chưa rõ ràng. Một cách tiếp cận khác là cải thiện hiệu suất lưu trữ natri của than chì bằng cách điều chỉnh chất điện phân. Trong thí nghiệm, người ta thấy rằng hợp chất xen kẽ natri-than chì ổn định không thể được hình thành trong chất điện phân cacbonat, điều này đã hạn chế hiệu suất lưu trữ natri của than chì. Trong chất điện phân dựa trên ether, các ion natri hòa tan có thể tạo thành dung môi Na thông qua quá trình đồng xen kẽ. Các hợp chất xen kẽ bậc ba phân tử-than chì được sử dụng để gián tiếp lưu trữ natri, nhưng các vấn đề về dung lượng riêng thấp, khả năng lưu trữ natri cao, khả năng chống oxy hóa kém và tính ổn định của dung môi gốc ether và phản ứng dễ dàng với các điện cực dương vẫn là những vấn đề chính của than chì như vật liệu điện cực âm của pin natri-ion. Khó khắc phục trong ứng dụng thực tế. Một nghiên cứu khác cho thấy các ion K có bán kính lớn hơn ion Na có thể được xen kẽ trong than chì và dung lượng riêng thuận nghịch có thể đạt tới 270mAh/g và kết quả tính toán lý thuyết cho thấy các kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs) Na là hợp chất xen kẽ duy nhất được hình thành với than chì, phản ánh rằng khoảng cách giữa các lớp của than chì quá nhỏ không phải vì các ion natri không thể xen kẽ trong than chì, mà vì natri và than chì không thể tạo thành các hợp chất xen kẽ ổn định, chỉ Na và Năng lượng hình thành của than chì hình thành các hợp chất này là dương, trong khi các hợp chất của các kim loại kiềm khác là âm, cho thấy các hợp chất than chì Na không ổn định về mặt nhiệt động, điều này không đủ để hỗ trợ ứng dụng thương mại của chúng làm vật liệu cực dương cho pin Na-ion.

Do carbon vô định hình có khoảng cách giữa các lớp lớn hơn và cấu trúc vi tinh thể không ổn định, nên nó có lợi hơn cho việc xen kẽ và chiết xuất các ion natri, đồng thời cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm và sử dụng trong thực tế. Đối với carbon mềm, mặc dù nó có cấu trúc tương tự như than chì, nhưng nó có mức độ trật tự thấp hơn. So với than chì, nó thuận lợi hơn cho việc xen kẽ và lưu trữ natri, đồng thời có thể tăng công suất cụ thể ở mật độ dòng điện thấp. Diện tích bề mặt cụ thể và khuyết tật bề mặt của carbon mềm thấp, có thể làm giảm mức tiêu thụ chất điện phân este và giúp cải thiện ICE. Từ góc độ thương mại hóa, tiền chất carbon mềm được đốt bằng than antraxit rẻ hơn, có giá thấp, năng suất cacbon hóa cao, an toàn tốt và hiệu suất điện hóa nhất định, đồng thời có tiềm năng thương mại hóa tốt. Từ góc độ của các tình huống ứng dụng, dung lượng không thay đổi là 200-220mAh/g và khu vực sạc và xả chủ yếu là các sườn dốc, phù hợp với các tình huống công suất cao. Đối với carbon cứng, so với cấu trúc phân lớp có trật tự tầm xa của than chì, cấu trúc của nó ở cấp độ phân tử phức tạp hơn. Hình ảnh cho thấy vị trí tích cực của việc lưu trữ natri carbon cứng và có thể thấy rằng cấu trúc tương đối rối loạn của nó có lợi hơn cho việc lưu trữ natri của nó. Cấu trúc độc đáo của cacbon cứng xác định rằng nó có nhiều loại vị trí lưu trữ natri thuận nghịch khác nhau, bao gồm: lưu trữ natri thông qua các phản ứng xen kẽ, lưu trữ natri bằng cách hình thành các cụm nguyên tử trong các lỗ kín và hấp phụ điện dung của natri trên bề mặt tiếp xúc với chất điện phân. Natri được lưu trữ giả điện dung tại các vị trí liên quan đến khuyết tật trên bề mặt bên trong. Khu vực sạc và xả carbon cứng có phần dốc và phần bệ, dung lượng cụ thể chung có thể đạt 300-350mAh/g. Sau khi tối ưu hóa và sửa đổi, nó có thể đạt tới 400mAh/g, vượt quá dung lượng cụ thể theo lý thuyết của than chì pin lithium (372mAh/g).

Tóm lại, than chì, với tư cách là vật liệu điện cực âm quan trọng cho pin lithium-ion, khá hạn chế trong pin natri-ion do khoảng cách giữa các lớp nhỏ và không có khả năng tạo thành các hợp chất xen kẽ ổn định nhiệt với than chì, mặc dù điều này có thể đạt được bằng cách mở rộng lớp Khe hở sử dụng than chì mở rộng và điều chỉnh chất điện phân để cải thiện vấn đề này, nhưng vẫn còn những vấn đề như ICE thấp và chất điện phân kém ổn định. Ngược lại với carbon vô định hình, carbon mềm có mức độ sắp xếp thấp thuận lợi hơn cho việc lưu trữ natri và nó cũng có chi phí tiền chất rẻ hơn. Cấu trúc cấp độ phân tử phức tạp của carbon cứng đã tạo ra nhiều loại vị trí hoạt động lưu trữ natri khác nhau và sửa đổi tối ưu hóa. Cuối cùng, nó có thể vượt quá công suất cụ thể theo lý thuyết của than chì pin lithium và có tiềm năng thương mại hóa mạnh mẽ. Do đó, nói một cách tương đối, sẽ thích hợp hơn khi chọn carbon vô định hình, đặc biệt là carbon cứng, làm vật liệu điện cực âm carbon natri ion.

1.3 Các đối thủ cạnh tranh tiềm tàng của carbon cứng

1.3.1. Vật liệu cực dương dựa trên silicon

Ưu điểm của vật liệu anode gốc silicon là dung lượng lý thuyết tương đối cao (Li4.4Si, 4200mAh/g); sự phong phú tự nhiên (silicon là một nguyên tố phong phú trên trái đất); và thế điện hóa phù hợp (0,4V so với Li/Li+) - So với cacbon cứng, không dễ hình thành "đuôi gai liti". Tất nhiên, nhược điểm của nó cũng rất rõ ràng: sự thay đổi thể tích không thể tránh khỏi của vật liệu silicon sẽ khiến cấu trúc của điện cực dựa trên silicon bị nứt hoặc nghiền thành bột, dẫn đến sự phát triển không kiểm soát được của màng SEI; bản thân độ dẫn điện cũng kém.

1.3.2. Vật liệu cực dương lithium titanate

Vật liệu điện cực âm lithium titanate cũng có thể là vật liệu điện cực âm cho pin trong tương lai. Ưu điểm của nó bao gồm: phương pháp chuẩn bị đơn giản, nền tảng nạp và xả cao, chu kỳ ổn định, hiệu suất Coulomb cao; vật liệu "không biến dạng", thể tích của tinh thể trong chu trình phản ứng vẫn ổn định. (Giải quyết hiệu quả hiện tượng đổ vật liệu điện cực do thay đổi âm lượng); điện áp làm việc ổn định và các ion lithium sẽ không kết tủa các sợi nhánh lithium trên điện cực; nền tảng điện áp điện cực ổn định. Nhược điểm cũng tồn tại: độ dẫn thấp và hệ số khuếch tán ion lithium, phân cực điện cực nghiêm trọng ở mật độ dòng điện cao, dẫn đến điện dung của điện cực giảm mạnh và hình thành màng SEI gây ra phản ứng bất lợi giữa điện cực và chất điện phân cho một thời gian dài. Hiện tại, sơ đồ cải tiến của vật liệu điện cực âm lithium titanate: (1) Nano hóa: giảm hiệu quả sự lan truyền của lithium và electron trong điện cực, đồng thời tăng sự di chuyển điện tích trên bề mặt điện cực; (2) Lớp phủ bề mặt (nguyên tố kim loại Hoặc vật liệu carbon): cải thiện tính dẫn điện của vật liệu điện cực âm; chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa vật liệu lithium titanate và chất điện phân để tạo ra các phản ứng phụ; (3) Biến tính hợp chất: đưa vào vật liệu có tính dẫn điện tốt; (4) Sửa đổi doping: áp dụng các đặc tính dẫn điện cho các chất ion lithium titanate (hiện được sử dụng nhiều nhất là các loại nguyên tố carbon và kim loại dẫn điện cao).

1.3.3. Vật liệu cực dương dựa trên thiếc

Vật liệu cực dương dựa trên thiếc cũng đã thu hút sự chú ý rộng rãi của các học giả và doanh nhân. Lợi thế của nó nằm ở: tài nguyên phong phú (tính đến năm 2019, trữ lượng mỏ thiếc đã được xác minh ở Trung Quốc là 2,16 triệu tấn, chiếm 39,27% thế giới, đứng đầu thế giới); dung lượng lý thuyết cao (Li22Sn5 tạo ra tổng dung lượng lý thuyết khoảng 994mAh/g, Na15Sn4 tạo ra dung lượng lý thuyết 847mAh/g); tiềm năng xen kẽ lithium cao hơn tiềm năng kết tủa lithium và có thể tránh được sự lắng đọng lithium ở tốc độ cao; mật độ khối lớn (75,46mol/L, gần bằng mật độ khối của lithium 73,36mol/L). Nhược điểm là tỷ lệ mở rộng âm lượng của Sn trong chu kỳ đạt 259% (pin Li-ion) và 423% (pin Na-ion), ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất chu kỳ. Các biện pháp cải tiến hiện nay: (1) Giảm kích thước hạt Sn xuống kích thước nano: có thể xảy ra hiện tượng kích thước hạt và độ kết tụ không đồng đều, chưa thể hiện được ưu điểm về dung lượng cao của Sn; (2) Vật liệu hợp kim dựa trên thiếc: điện cực âm của pin lithium-ion Vật liệu đã bước vào giai đoạn phát triển ổn định - hầu hết các hợp kim dựa trên thiếc và các thành phần không đồng nhất chỉ được tổng hợp về mặt vật lý và lực liên kết yếu không có lợi cho sự tái hợp tác dụng; vật liệu cực dương cho pin natri-ion đang được khám phá; (3) Vật liệu hỗn hợp dựa trên thiếc / Carbon: Các hạt hợp kim Sn được bọc trong lớp vỏ carbon đàn hồi có thể hoàn thành ổn định quá trình xen kẽ và giải hấp lithium.

2. Tái khám phá carbon vô định hình: điều gì quyết định hiệu suất của nó?
2.1, cacbon cứng so với cacbon mềm

Theo độ khó của quá trình graphit hóa, vật liệu carbon vô định hình có thể được chia thành carbon cứng và carbon mềm. Carbon mềm thường dùng để chỉ một loại vật liệu carbon có thể được graphit hóa sau khi xử lý ở nhiệt độ cao (trên 2800 ° C) và cấu trúc rối loạn dễ dàng bị loại bỏ, còn được gọi là carbon có thể graphit hóa được. Carbon cứng thường đề cập đến carbon khó bị graphit hóa hoàn toàn sau khi xử lý ở nhiệt độ cao (trên 2800 ° C) và cấu trúc rối loạn của nó rất khó loại bỏ ở nhiệt độ cao, còn được gọi là carbon không thể graphit hóa được. Trong điều kiện xử lý ở nhiệt độ trung bình và thấp (1000-1600°C), không có ranh giới rõ ràng giữa carbon mềm và carbon cứng trong cấu trúc, có thể được gọi chung là carbon vô định hình.

Mặc dù vật liệu carbon mềm có giá trị dung lượng cao hơn nhưng tốc độ phân rã nhanh của chúng đã gây trở ngại cho các ứng dụng thực tế; vật liệu carbon cứng dễ điều chế hơn và có vòng đời cao hơn, đồng thời đã được sử dụng trong một số ứng dụng thực tế. So với carbon mềm, carbon cứng có cấu trúc rối loạn hơn, nồng độ khuyết tật cao hơn, hàm lượng dị nguyên tử cao hơn và khoảng cách lớn hơn giữa các lớp graphit và cấu trúc lỗ chân lông khép kín hơn. Điều này có lợi để cung cấp nhiều điểm lưu trữ và đường khuếch tán hơn cho các ion Na+. Tuy nhiên, tính kinh tế của carbon cứng kém hơn một chút so với carbon mềm. Trong số các loại pin natri-ion, carbon cứng là dòng ứng dụng chủ đạo hiện nay do những ưu điểm của nó. Ngoài ra, các đặc điểm về chi phí thấp, tính bền vững và việc chuẩn bị đơn giản hơn cũng mang lại nhiều khả năng hơn cho việc thương mại hóa các vật liệu carbon cứng.

2.2. tiền thân

Cacbon mềm và cứng chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của các tiền chất. Trong quá trình cacbon hóa, tiền chất có thể xuất hiện ở trạng thái nóng chảy trong một dải nhiệt độ rộng, đây là điều kiện cần thiết để cacbon cuối cùng (than cốc) được graphit hóa. Trạng thái hợp nhất này cho phép sắp xếp lại các lớp carbon để tạo thành cấu trúc phân lớp có trật tự trong phạm vi dài và khí được tạo ra do quá trình phân hủy nhiệt dễ dàng thoát ra ngoài, đồng thời hàm lượng carbon và mật độ của cặn được tăng lên. Cacbon vô định hình thường được tạo ra bằng cách nhiệt phân các tiền chất hữu cơ ở 500–1500 °C. Cho dù sản phẩm cuối cùng sau khi nhiệt phân là carbon cứng hay carbon mềm chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của tiền chất.

Tiền thân chủ yếu được chia thành vật liệu carbon dựa trên sinh khối, dựa trên polymer, dựa trên nhựa và than đá. Tiền chất sinh khối chủ yếu đề cập đến rễ, thân và lá của thực vật (ví dụ: vỏ chuối, rêu than bùn, vỏ đậu phộng, lá, vỏ táo, vỏ bưởi, cây dương và bông, v.v.). Polyme thường đề cập đến tiền chất carbohydrate, chủ yếu bao gồm glucose, sucrose, tinh bột, cellulose và lignin, là các sản phẩm hóa học được chiết xuất từ ​​​​sinh khối. Tiền chất nhựa chủ yếu bao gồm nhựa phenolic, polyaniline và polyacrylonitrile. Tiền chất được sử dụng để sản xuất carbon cứng chủ yếu là tiền chất sinh khối, nhựa và polymer. Tiền chất để điều chế vật liệu carbon mềm chủ yếu bao gồm nguyên liệu thô hóa dầu và các sản phẩm hạ nguồn của chúng, chẳng hạn như than đá, hắc ín, than cốc dầu mỏ, v.v., nhưng quá trình cacbon hóa trực tiếp Vật liệu carbon mềm thể hiện khả năng đảo ngược thấp trong pin Na-ion.

Carbon vô định hình có các đặc tính về khả năng đảo ngược và hiệu suất chu kỳ tuyệt vời, và nó dự kiến ​​​​sẽ được thương mại hóa sau khi kiểm soát chi phí. Vật liệu carbon cứng có dung lượng gram cao, nhưng giá thành cao; vật liệu carbon mềm có dung lượng gram thấp, nhưng có lợi thế về chi phí. Cốt lõi của vật liệu cực dương cho pin natri ion là làm thế nào để giảm chi phí.

Lộ trình kỹ thuật cốt lõi của quá trình điều chế cacbon cứng bao gồm lựa chọn nguyên liệu thô và tiền xử lý, liên kết ngang và xử lý, cacbon hóa và tinh chế, v.v. Các loại tiền chất khác nhau cũng có sự khác biệt về công nghệ trong quá trình điều chế vật liệu cực dương cacbon cứng. Việc kiểm soát nhiệt độ của các bước trung gian, môi trường khí, thời gian gia nhiệt, v.v. ảnh hưởng đến kích thước lỗ xốp, độ tinh khiết, hàm lượng oxy, diện tích bề mặt cụ thể, v.v. của vật liệu điện cực âm. Nó cũng gián tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả ban đầu, mật độ năng lượng, độ an toàn và các yếu tố khác của pin.

Cấu trúc phân tử của tiền chất polymer hữu cơ tương đối đơn giản và có thể kiểm soát được, và cấu trúc phân tử có liên quan có thể được thiết kế theo nhu cầu. Do đó, nó là tiền thân tuyệt vời để điều chế vật liệu carbon và đã thu hút sự chú ý rộng rãi. Các polyme cao phân tử hữu cơ được điều chế từ các monome phân tử nhỏ hữu cơ thông qua phản ứng trùng hợp có xúc tác là chất xúc tác. Do những lợi thế của việc thu được cấu trúc carbon cứng với hình thái đều đặn và quy trình tổng hợp đơn giản, nó có ý nghĩa to lớn đối với việc sản xuất và ứng dụng vật liệu carbon cứng trên quy mô lớn trong tương lai. giá trị nghiên cứu cao. Vật liệu nhựa phenolic (RF) là một loại polymer hữu cơ được nghiên cứu kỹ lưỡng hiện nay. Nó đã nhận được sự chú ý rộng rãi vì tỷ lệ carbon còn lại cao và độ ổn định cấu trúc tuyệt vời sau khi hình thành carbon cứng. Người ta thấy rằng thời gian cần thiết cho quá trình trùng hợp phụ thuộc vào dung môi được sử dụng, trong khi hiệu suất phụ thuộc vào mức độ liên kết ngang, có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh nhiệt độ của quá trình trùng hợp nhiệt. Cấu trúc của carbon cứng chủ yếu thay đổi theo nhiệt độ cacbon hóa, và khi nhiệt độ tăng lên, khoảng cách giữa các lớp và độ rối loạn giảm xuống, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất lưu trữ natri của vật liệu. Và nó có lợi để cải thiện hiệu suất điện hóa bằng cách điều chỉnh sự hình thành cấu trúc lỗ rỗng carbon cứng. Nhóm Kamiyama nước ngoài phát hiện ra rằng khi nhiệt độ xử lý nhiệt tăng lên, khoảng cách giữa các lớp giảm, diện tích bề mặt cụ thể giảm và lỗ chân lông bên trong tăng lên. Nhựa phenolic lỗ xốp độc đáo làm tăng tổng thể tích của các lỗ bên trong, do đó làm tăng khả năng giữ ion natri.

Tiền chất sinh khối rất phong phú về chủng loại, sử dụng bền vững và giá thành thấp. Thường chứa nhiều C, và chứa một số O, H, và thậm chí một số dị nguyên tử khác, chẳng hạn như N, S, P, v.v. Sinh khối là một lựa chọn tốt như một tiền chất tái tạo và bền vững để sản xuất chi phí thấp và cao -hiệu suất vật liệu cực dương carbon cứng. Các phương pháp chuyển đổi sinh khối thành cacbon cứng rất đơn giản, chẳng hạn như cacbon hóa trực tiếp, cacbon hóa thủy nhiệt (HTC), kích hoạt vật lý hoặc hóa học, v.v. Sinh khối như vỏ chuối, rêu than bùn, trấu, bông, glucose, protein và tinh thể nano xenlulô đã được sử dụng làm vật liệu cực dương cho pin Na-ion, cho thấy hiệu suất điện hóa đầy hứa hẹn. Vật liệu cực dương carbon cứng sinh khối tùy chỉnh cao cấp thế hệ thứ ba do JiaNa Energy triển khai có dung lượng cụ thể khoảng 400mAh/g. Điều này cho thấy sinh khối có tiềm năng lớn trong việc thúc đẩy sự phát triển của cực dương cho pin Na-ion. Tuy nhiên, mặt khác, sinh khối từ tự nhiên thường chứa một số tạp chất cần được loại bỏ trước khi có thể áp dụng cho pin Na-ion. Hầu hết các cực dương carbon cứng có nguồn gốc từ sinh khối được báo cáo có thể mang lại công suất đảo ngược lên đến 300mAh/g với ICE (coulomb trong tuần đầu tiên) dưới 85%, vẫn không thể cạnh tranh với cực dương than chì trong pin lithium thương mại. Mặc dù sinh khối bền vững và phong phú, nhưng tổng chi phí vẫn cao hơn so với than chì và carbon mềm.

Là một sản phẩm phụ hóa dầu chi phí thấp, bitum hiện đang được sử dụng rộng rãi do chi phí thấp và hàm lượng carbon cao. Tuy nhiên, gốc nhựa đường dễ tạo thành cấu trúc trật tự trong quá trình nhiệt phân nên dung lượng lưu trữ rất thấp, dưới 100mAh/g. Hiện tại, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã cải thiện dung lượng lưu trữ natri lên 300mAh/g bằng cách kết hợp cao độ làm tiền chất carbon mềm và nhựa làm tiền chất carbon cứng để sửa đổi.

Tiền chất dựa trên than antraxit có hiệu quả về chi phí và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trên thị trường. Viện Vật lý thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc đã sử dụng than antraxit làm tiền chất để thu được vật liệu cực dương cacbon có đặc tính lưu trữ natri tuyệt vời thông qua quá trình nghiền đơn giản và cacbon hóa một bước. Vật liệu carbon mềm thu được bằng cách crack antraxit vẫn có mức độ hỗn loạn cao dưới 1600 ° C, tỷ lệ sản xuất carbon cao tới 90%, dung lượng lưu trữ natri đạt 220mAh / g, độ ổn định chu kỳ rất tốt và hiệu suất là tốt hơn so với vật liệu carbon mềm từ nhựa đường. vật liệu cacbon.

Zhongke Haina cũng đã điều tra các tiền chất của nguồn carbon và nhận thấy rằng chi phí của than antraxit thấp. Sử dụng than antraxit để điều chế vật liệu điện cực âm carbon vô định hình sẽ giúp giảm đáng kể chi phí pin. Thông qua các thí nghiệm, các điện cực âm của pin natri-ion dựa trên than antraxit cuối cùng đã được phát triển. Vật liệu. Sử dụng than antraxit làm tiền chất có thể đạt tới 150-300Ah/nhân dân tệ, có lợi thế hiệu quả về chi phí đáng kể so với các tiền chất khác.

3. Tập trung vào carbon cứng: nhu cầu hình học?
3.1. Dự báo nhu cầu carbon cứng pin lithium

Ứng dụng của carbon cứng trong lĩnh vực pin lithium-ion Hiện tại, hầu hết các doanh nghiệp trong nước triển khai carbon cứng đều áp dụng nó cho pin lithium-ion và đã đạt được những kết quả và thực tiễn tương đối phong phú. Trong việc lựa chọn vật liệu điện cực âm cho pin lithium-ion, than chì đã trở thành nguyên liệu chính. Các khiếm khuyết về cấu trúc của điện cực âm than chì hạn chế độ ổn định chu kỳ và hiệu suất phóng điện của nó như một vật liệu điện cực âm của pin lithium-ion, trong khi carbon cứng có đặc điểm cấu trúc đẳng hướng, khoảng cách giữa các lớp lớn hơn và sự khuếch tán ion lithium nhanh trong quá trình sạc và xả. Với hiệu suất tốc độ tốt, carbon cứng có ứng dụng tốt hơn trong lĩnh vực pin lithium-ion.

Như đã đề cập ở trên, carbon cứng là vật liệu cực dương quan trọng cho pin natri-ion. Công suất cụ thể tuyệt vời và giá thấp là những lợi thế quan trọng của nó trong nhiều vật liệu cực dương. Pin lithium-ion, cũng là "pin ghế bập bênh", thực sự có thể sử dụng carbon cứng làm vật liệu điện cực âm vì tính tương đồng cao với nguyên tắc của pin natri. Trong vật liệu điện cực âm của pin lithium-ion, than chì tự nhiên và than chì nhân tạo luôn chiếm tỷ trọng lớn. Tuy nhiên, do yêu cầu của mọi người về mật độ năng lượng pin tăng dần trong tương lai, giới hạn trên lý thuyết về dung lượng riêng của than chì là 372mah/g sẽ không còn đáp ứng được nhu cầu. Vào thời điểm đó, vật liệu cực dương silicon và vật liệu carbon cứng cũng có thể đạt được công suất cụ thể cao hơn sẽ có giai đoạn hiệu suất lớn hơn. Hiện tại, vật liệu cực dương silicon vẫn chưa được áp dụng hoàn toàn trong pin, nhưng vật liệu carbon cứng đã chiếm một tỷ lệ nhất định trong vật liệu cực dương của pin lithium.

Vào năm 2021, cơ cấu lô hàng của các sản phẩm cực dương pin lithium của nước tôi vẫn chủ yếu là than chì nhân tạo, chiếm 84%; than chì tự nhiên là sản phẩm cực dương được phân đoạn lớn thứ hai, chiếm 14%; phần còn lại của vật liệu cực dương là 2%. Ở các bộ phận khác, vật liệu carbon cứng và carbon mềm là những bộ phận chính. Theo dữ liệu của Juda Lithium Battery, vật liệu carbon mềm và carbon cứng chiếm 1,7% lượng vận chuyển vật liệu cực dương của pin lithium toàn cầu vào năm 2015. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng vật liệu carbon cứng trong pin lithium cũng đã đạt được một số tiến bộ công nghiệp. Do đó, chúng tôi dự đoán rằng trong vài năm tới, vật liệu carbon cứng sẽ là vật liệu ứng dụng cho các điện cực âm của pin lithium, chiếm khoảng 2%. Các lô hàng pin lithium trong tương lai đang cho thấy xu hướng tăng lên. Với sự gia tăng liên tục về tỷ lệ thâm nhập của các phương tiện năng lượng mới toàn cầu và sự tiến bộ dần dần của các mục tiêu carbon kép, nhu cầu về pin năng lượng và pin lưu trữ năng lượng sẽ tiếp tục tăng với tốc độ tương đối cao và trước năm 2030, các hệ thống pin khác sẽ vẫn khó công nghiệp hóa trên quy mô lớn Phát triển, pin lithium-ion sẽ vẫn là con đường công nghệ chủ đạo. EVTank dự đoán rằng tốc độ tăng trưởng gộp hàng năm của các lô hàng pin lithium-ion toàn cầu sẽ đạt 25,6% trước năm 2030. Các lô hàng pin lithium toàn cầu sẽ đạt 562,4Gwh vào năm 2021. Dựa trên tốc độ tăng trưởng gộp của năm nay, người ta ước tính rằng pin lithium toàn cầu các lô hàng sẽ đạt khoảng 1554,6Gwh vào năm 2025.

Do tỷ lệ carbon cứng trong vật liệu cực dương của pin lithium không cao nên pin lithium sẽ ít kéo vật liệu carbon cứng hơn. Theo công suất carbon cứng 300mah/g, tính toán nền điện áp 3,2V, pin lithium 1GWh tiêu thụ khoảng 1125 tấn carbon cứng và chúng tôi hy vọng rằng đến năm 2025, khoảng 35.000 tấn vật liệu carbon cứng sẽ được sử dụng để sản xuất pin lithium vật liệu anode.

3.2 Dự báo nhu cầu pin natri cacbon cứng

Các đặc tính của carbon cứng và các kịch bản ứng dụng của nó trong pin natri-ion: Gần đây, "Hướng tới tăng cường lưu trữ natri của vật liệu cực dương carbon cứng: điều chỉnh hàm lượng oxy của tiền chất thông qua phản ứng khử hydro ở nhiệt độ thấp" (Hướng tới tăng cường lưu trữ natri của carbon cứng cực dương: Điều chỉnh hàm lượng oxy trong tiền chất bằng cách khử hydro ở nhiệt độ thấp) đã được công bố trên tạp chí Vật liệu lưu trữ năng lượng. Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra hiệu suất điện hóa của vật liệu carbon cứng, họ phát hiện ra rằng khi chúng được sử dụng làm vật liệu điện cực âm cho pin natri-ion, một mẫu cho thấy dung lượng riêng cao 369,8mAh/g; Nhóm nghiên cứu Lu Zhouguang của Đại học Khoa học và Công nghệ Miền Nam phát hiện ra rằng carbon cứng có thế oxy hóa khử thấp (0,1-1,0V). Do việc sử dụng rộng rãi tiền chất carbon cứng, tiền chất liên quan đến sinh khối, carbon cứng đã trở thành lựa chọn vật liệu cực dương cho pin xanh và thân thiện với môi trường. Tóm lại, trong lĩnh vực ứng dụng của pin ion natri, carbon cứng có khoảng cách giữa các lớp lớn hơn than chì và có thể tạo thành hợp chất xen kẽ ổn định nhiệt động với natri. So với carbon mềm, nó có khả năng lưu trữ natri lớn hơn. Điện cực tụ điện, điện cực pin ion kép dựa trên natri và các lĩnh vực khác liên quan đến pin natri-ion có kịch bản ứng dụng tốt và đã được các công ty như Betray và Shanshan New Energy nghiên cứu và đưa vào ứng dụng.

Trong "Sách trắng về sự phát triển của ngành công nghiệp pin natri-Ion của Trung Quốc (2022)" do EVTank và Viện nghiên cứu kinh tế Evie đồng phát hành, mật độ năng lượng của pin natri-ion, pin lithium iron phosphate, pin ternary và pin axit-chì được so sánh và phân tích toàn diện. , vòng đời, điện áp trung bình, an toàn, hiệu suất tốc độ, hiệu suất sạc nhanh, hiệu suất nhiệt độ cao và thấp, v.v., người ta tin rằng pin natri ion có các kịch bản ứng dụng tương đối tốt như xe hai bánh chạy điện, xe điện tốc độ thấp , lưu trữ năng lượng, start-stop, v.v. Triển vọng tốt. EVtank tin rằng về lý thuyết, không gian thị trường của pin natri-ion có thể đạt 369,5GWh vào năm 2026 với điều kiện thâm nhập 100% và quy mô thị trường lý thuyết của nó có thể đạt 150 tỷ nhân dân tệ.

Giả sử rằng tỷ lệ thay thế của pin natri từ năm 2023 đến năm 2025 lần lượt là 5%, 15% và 25%, thì công suất lắp đặt tương ứng của pin natri là 9GWh, 33,7GWh và 72,5GWh. Theo công suất carbon cứng 300mah/g, tính toán nền điện áp 3,4V, pin natri 1GWh tiêu thụ khoảng 1075 tấn carbon cứng, chúng tôi dự đoán nhu cầu carbon cứng tương ứng với pin natri vào năm 2023-2025 sẽ là 9.700 tấn, 36.200 tấn , và 77.900 tấn .

Tóm tắt hai phần của nhu cầu carbon cứng, chúng tôi ước tính rằng tổng nhu cầu carbon cứng vào năm 2021 sẽ vào khoảng 12.700 tấn và tổng nhu cầu carbon cứng vào năm 2025 dự kiến ​​sẽ tăng đáng kể lên khoảng 112.900 tấn, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 72,8%.

4. Hướng tới tương lai: quá trình công nghiệp hóa đang cận kề
4.1. Doanh nghiệp carbon cứng trong nước

Đánh giá về việc triển khai carbon cứng của các công ty trong nước, nhiều công ty đã chọn sử dụng carbon cứng trong lĩnh vực pin lithium-ion để nâng cao hiệu suất. Theo thông tin bằng sáng chế phát minh của công ty, pin lithium-ion sử dụng vật liệu điện cực âm carbon cứng có thể đạt được dung lượng đảo ngược là 450mAh. /g trở lên và hiệu ứng đầu tiên có thể vượt quá 50%. Lấy Xiangfeng Huawei làm ví dụ, dung lượng xả ban đầu của pin natri có thể đạt 230-260mAh/g và hiệu suất đầu tiên có thể đạt khoảng 90%. Đồng thời, nhiều công ty đang triển khai carbon cứng trong vật liệu cực dương của pin.

4.2 Điểm yếu của công nghiệp hóa carbon cứng

4.2.1 Điểm yếu và biện pháp cải thiện công nghiệp hóa carbon cứng trong pin natri-ion

(1) Cần đi sâu nghiên cứu cấu trúc carbon cứng

Một carbon cứng hoạt động tốt cần phải có diện tích bề mặt bên ngoài thấp để giảm thiểu tổn thất điện tích không thể đảo ngược trong chu kỳ đầu tiên liên quan đến sự hình thành SEI và nồng độ cao của các vi lỗ bên trong để tối đa hóa khả năng lưu trữ điện tích cụ thể. Trong số đó, phương pháp nghiên cứu hấp phụ khí phát hiện thông minh các lỗ nhỏ mở, nhưng tương đối không nhạy cảm với các lỗ nhỏ bên trong. Các phương pháp tương ứng như HR-TEM, phép đo tương quan nhiễu xạ tia X, phân tích PDF của PXRD và tán xạ tia X góc nhỏ phù hợp với carbon cứng Việc nghiên cứu về cấu trúc vẫn chưa chắc chắn và khó khăn, cần được tiếp tục cải tiến về các phụ kiện liên quan đến phép đo carbon cứng và hiệu chỉnh góc. Ứng dụng công nghiệp của pin natri ion.

(2) Quá trình carbon cứng phức tạp và có các vấn đề như khuyết tật tiền chất

Cấu trúc của vật liệu cacbon cứng phụ thuộc vào trạng thái của tiền chất và quá trình cacbon hóa tương ứng. Trước hết, mặc dù tiền chất sinh khối có ưu điểm là chi phí thấp, nhưng nó chứa nhiều dị nguyên tử hơn với sự phân bố không đồng đều, điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình công nghiệp hóa quá trình điều chế carbon cứng chất lượng cao trên quy mô lớn. Thứ hai, quá trình tổng hợp carbon cứng tương đối phức tạp, điều này làm tăng đáng kể chi phí sản xuất carbon cứng và ảnh hưởng đến sản xuất quy mô lớn. Quy trình sản xuất carbon cứng chủ yếu bắt đầu bằng tiền xử lý nguyên liệu thô, sau đó là liên kết chéo và hóa rắn, carbon hóa ở nhiệt độ trung bình, carbon hóa sâu, biến đổi bề mặt và carbon hóa ở nhiệt độ cao, cuối cùng tạo thành carbon cứng. Một lần nữa, carbon cứng có năng suất carbon thấp hơn carbon mềm. Ngoài ra, các tiền chất khác nhau của carbon cứng có một số ưu điểm và nhược điểm. Mặc dù vật liệu nhựa đường có tỷ lệ cặn carbon cao và nhiều nguồn nguyên liệu thô, nhưng thành phần của chúng rất phức tạp và chất lượng dễ bị không đồng đều giữa các lô trong quá trình chuẩn bị. Đồng thời, nhựa đường cần cải thiện quy trình xử lý khí đuôi trong quá trình xử lý; Mặc dù sinh khối là một nguồn carbon chất lượng cao, nhưng nó là một đại phân tử và rất khó để thiết kế vật liệu từ cấp độ phân tử. Đồng thời, vật liệu sinh khối bị hạn chế bởi mùa và môi trường, và nguồn của chúng không ổn định. Chi phí sản xuất polyme hữu cơ tương đối cao và vẫn còn một số khó khăn trong việc chuẩn bị quy mô lớn. Tóm lại, cấu trúc của vật liệu điện cực cho pin natri đòi hỏi sự nhất quán. Do sự hiện diện của các nguyên tử dị hợp tử trong tiền chất sinh khối carbon cứng, tỷ lệ sản xuất carbon thấp và quy trình carbon cứng phức tạp, chi phí sản xuất carbon cứng làm vật liệu pin natri vẫn còn cao, dẫn đến việc công nghiệp hóa carbon cứng trong lĩnh vực này gặp nhiều hạn chế của pin natri-ion.

Do chi phí sản xuất tiền chất carbon cứng cao, một giải pháp hợp lý khả thi là trộn các vật liệu phù hợp với tiền chất carbon cứng để cùng chuẩn bị vật liệu điện cực âm cho pin natri. Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát minh ra vật liệu carbon cho các điện cực âm của pin natri-ion và phương pháp chuẩn bị của nó, cũng như các điện cực âm của pin natri-ion và pin natri-ion trong bằng sáng chế. Nó sử dụng than rẻ tiền làm nguyên liệu chính và trộn nó với các tiền chất carbon cứng. Vật liệu carbon vô định hình, lấy kết quả thí nghiệm của than antraxit, lignin (1: 0,1) và lớp phủ carbon làm ví dụ, vật liệu này có dung lượng riêng là 229mAh/g, hiệu suất Coulombic của tuần đầu tiên là 88% và lượng carbon còn lại của antraxit Tỷ lệ có thể đạt 90%. Là một vật liệu carbon vô định hình với sự chuẩn bị đơn giản, nguyên liệu sẵn có, chi phí thấp và tỷ lệ sản xuất carbon cao, nó phù hợp hơn cho vật liệu điện cực âm của pin thứ cấp natri-ion.

(3) Các kịch bản ứng dụng nền tảng điện áp thấp chiếm tỷ lệ tương đối thấp và sự lắng đọng natri ảnh hưởng đến hiệu suất

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các cơ chế lưu trữ Na+ khác nhau. Dựa trên các hiện tượng phù hợp với các thí nghiệm tương ứng của chúng, các cơ chế lưu trữ natri được chia thành các cơ chế "làm đầy xen kẽ", cơ chế "xen kẽ hấp phụ" và cơ chế "làm đầy hấp phụ". Cơ chế "hấp phụ-xen kẽ-làm đầy". Nghiên cứu cho thấy qua phân tích hệ số khuếch tán, XRD ex-situ và kết quả thí nghiệm lắng đọng natri, cơ chế lưu trữ ở khu vực dốc thuộc về sự hấp phụ Na+, trong khi cơ chế lưu trữ ở khu vực cao nguyên điện áp thấp là do xen kẽ. của Na+ và một lượng nhỏ Na+ trong phần hấp phụ trên bề mặt lỗ xốp. Mặc dù việc phân phối cơ chế lưu trữ natri ở các vùng điện áp khác nhau còn gây tranh cãi, nhưng nhìn chung quá trình phóng điện có thể được chia thành hai phần, đó là phần dốc trên 0,1V và phần cao nguyên dưới 0,1V; ba chế độ tương tác tương ứng của natri và cacbon cứng , nghĩa là hấp phụ các vị trí hoạt động bề mặt, xen kẽ các lớp than chì và lấp đầy lỗ rỗng. Các nghiên cứu sâu hơn đã phát hiện ra rằng bộ lưu trữ natri carbon cứng có diện tích bệ rõ ràng, nghĩa là tiềm năng lưu trữ natri dưới 0,1V và cực dương carbon cứng với nền tảng lưu trữ natri dài có thể cải thiện điện áp làm việc trung bình và mật độ năng lượng của pin . Tuy nhiên, tiềm năng nền tảng dưới 0,1V gần với tiềm năng lắng đọng natri. Britton và cộng sự. đã sử dụng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân để khám phá sự phát triển và thay đổi của Na kim loại và Na á kim trong các chu kỳ sạc và nó có liên quan đến sự xen kẽ của natri trong các điện cực carbon cứng. Liệu bề mặt cacbon cứng có tiếp tục hình thành các sợi nhánh natri do sự lắng đọng của natri kim loại hay không và liệu các sợi nhánh natri có đâm xuyên qua dải phân cách và gây ra các vấn đề về an toàn cho pin hay không, tất cả những điều này cần được phát hiện và nghiên cứu thêm cũng như ứng dụng của cacbon cứng trong lĩnh vực pin natri phải tuân theo sự an toàn của pin. Các khía cạnh ảnh hưởng và ràng buộc.

(4) Carbon cứng có hiệu suất coulomb trong tuần đầu tiên và vòng đời thấp

Trong các báo cáo và nghiên cứu hiện tại, hiệu suất Coulombic của điện cực âm carbon cứng thường thấp trong tuần đầu tiên, thường là 50% -80% trong chất điện phân dựa trên este và một số ít vượt quá 80%; thường là 80% -90% trong chất điện phân dựa trên ether. %, lên tới 93%; ngược lại, hiệu suất coulomb trong tuần đầu tiên của cực dương than chì đối với pin lithium-ion thương mại thường vượt quá 95% và việc ứng dụng carbon cứng trong lĩnh vực pin natri-ion bị hạn chế. Ngoài ra, độ ổn định chu kỳ của điện cực âm carbon cứng cũng cần được cải thiện và các thí nghiệm khác nhau trong bảng cũng minh họa vấn đề này. Trong số đó, Hu et al. đã chứng minh rằng sự mất mát công suất trong chu kỳ phóng điện của carbon cứng không phải do cấu trúc vi mô bị hư hại không thể phục hồi; Younesi et al. phát hiện ra rằng hầu hết màng SEI hình thành trên bề mặt carbon cứng trong các ion natri sẽ hòa tan và độ ổn định của nó tốt hơn so với pin lithium-ion. Màng SEI được hình thành kém hơn và sự thụ động của bề mặt điện cực carbon cứng là không đủ.

 

Trong quá trình tiền natri hóa, làm thế nào để tránh các vấn đề rườm rà và tốn thời gian, đồng thời làm thế nào để ngăn chặn phản ứng phụ phân hủy của chất điện phân trên bề mặt carbon càng nhiều càng tốt là một trong những trọng tâm nghiên cứu của chiến lược tiền natri hóa. Trịnh và cộng sự. đã chọn ôxít graphene khử (rGO) với tốc độ cao và hiệu ứng đầu tiên thấp làm vật liệu carbon mô hình, natri naphthalene (Na-Nt) làm chất tiền natri hóa và đạt được quá trình tiền natri hóa nhanh chóng trong vòng 10 giây, tăng ICE từ 78% lên 96,8%. Trong quá trình này, một SEI nhân tạo ổn định được hình thành, giúp tránh hiệu quả sự phân hủy liên tục của chất điện phân và tiêu thụ Na+ không hồi phục. Ngoài ra, nó cũng thể hiện khả năng lưu trữ natri là 200mAh/g ở dòng điện cao 5A/g và khả năng lưu trữ natri là 0,5A/g. Tỷ lệ duy trì dung lượng là 68,4% sau 1000 chu kỳ dưới mật độ hiện tại. Nghiên cứu này có ý nghĩa đối với quá trình tiền natri hóa các vật liệu cacbon cứng. Tùy thuộc vào dạng lưu trữ của cacbon cứng, sự hấp phụ và phản ứng có thể được tạo ra bằng cách: mở rộng khoảng cách giữa các lớp của than chì để cho phép chèn Na+ bán kính lớn; tối ưu hóa mạng lưới lỗ rỗng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển hoặc lưu trữ Na+; đưa dị nguyên tử hoặc khuyết tật vào mạng cacbon. Để cải thiện hiệu suất điện hóa của nó, công suất của nền tảng có thể được tăng lên bằng cách pha tạp nguyên tử dị hợp tử và tốc độ gia nhiệt cao, v.v., bằng cách sử dụng pha tạp S, P, B, N, F hoặc cacbon đồng pha tạp và các vòng năm cạnh số lượng lớn, Nội tại các khuyết tật như vòng bảy thành viên được sử dụng để cải thiện khả năng dốc và hiệu suất tốc độ của vật liệu carbon cứng, và tốc độ gia nhiệt thấp, lớp phủ, tiền natri hóa và các phương tiện khác được sử dụng để giảm khuyết tật và cải thiện hiệu ứng đầu tiên của vật liệu.

4.2.2 Điểm yếu và biện pháp công nghiệp hóa carbon cứng trong pin lithium-ion

(1) Hiệu quả xả lần đầu thấp

So với than chì, bản thân carbon cứng có diện tích bề mặt riêng lớn hơn. Diện tích tiếp xúc của giao diện điện cực âm tương ứng với chất điện phân càng lớn thì khả năng xảy ra phản ứng hóa học tại giao diện càng lớn và càng nhiều màng SEI được hình thành và các ion lithium tiêu thụ sẽ càng nhiều. lithium được sử dụng để di chuyển sẽ giảm. Đồng thời, Buiel et al. phát hiện ra rằng lithium cũng tham gia vào phản ứng tạp chất được hấp phụ trong các hạt nano carbon cứng và tiêu thụ lithium, do đó làm giảm hiệu suất phóng điện đầu tiên của vật liệu carbon cứng.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi than chì nhân tạo được pha tạp 10% carbon cứng, pin sẽ tạo ra ít phản ứng phụ nhất trong quá trình hình thành và tiêu thụ ít ion lithium hơn, điều này sẽ không ảnh hưởng đến dung lượng pin. Đồng thời, do những ưu điểm về cấu trúc của chính carbon cứng, hiệu suất phóng điện ở nhiệt độ thấp và hiệu suất chu trình ở nhiệt độ cao ở nhiệt độ bình thường đã được cải thiện rất nhiều.

(2) Quá trình carbon cứng phức tạp và có các vấn đề như khuyết tật tiền chất

Sản lượng carbon của tiền chất carbon cứng thấp và quy trình chuẩn bị phức tạp, dẫn đến chi phí chuẩn bị cao. Nội dung liên quan đã được đề cập trong lĩnh vực pin natri-ion và sẽ không được lặp lại ở đây.

(3) Carbon cứng có khả năng không thể đảo ngược lớn

Các nghiên cứu sử dụng sucrose làm nguyên liệu tiền chất cho thấy nhìn chung có hai cơ chế hình thành khả năng không thể đảo ngược của carbon cứng: Lithium phản ứng với chất điện phân để tạo thành màng SEI tiêu thụ lithium; Lithium phản ứng với các nhóm chức bề mặt hoặc hấp thụ các phân tử tiếp xúc với không khí sau khi nhiệt phân, Phản ứng giữa lithium và chất điện phân đóng góp khoảng 50mAh/g vào dung lượng không thể đảo ngược, trong khi phần thứ hai nhằm vào carbon cứng, có thể đóng góp hơn 150mAh/g đến khả năng không thể đảo ngược, đây là một yếu tố quan trọng hạn chế quá trình công nghiệp hóa carbon cứng. Lấy tiền chất sucrose làm ví dụ, sự lắng đọng hơi hóa học của khí ethylene trên 700 độ có thể được sử dụng để giảm mức đóng góp dung lượng không thể đảo ngược trên 150mAh/g xuống dưới 70mAh/g.

(4) Độ trễ điện áp

Thế điện cực của vật liệu carbon cứng cực kỳ cao so với than chì, và thế năng phân tách lớn hơn thế năng xen kẽ lithium, dễ hình thành hiện tượng trễ điện áp. Buiel E và cộng sự. tin rằng độ trễ điện áp trong quá trình sạc và xả của carbon cứng là do ít hơn 0,5% hydro còn lại trong quá trình nhiệt phân. Độ trễ điện áp không có lợi cho việc duy trì sạc pin lithium-ion và ảnh hưởng đến quy trình thực tế của vật liệu carbon cứng. Trộn vật liệu carbon cứng với vật liệu than chì có thể cải thiện vấn đề trễ điện áp. Nei P. Dasgupta đã tiến hành phân tích mô phỏng điện hóa quy mô liên tục. Vật liệu hỗn hợp sẽ được ưu tiên tráng phủ trong giai đoạn đầu của quá trình sạc nhanh và đặc tính tốc độ tốt của carbon cứng làm giảm dòng điện trên các hạt than chì để tránh kết tủa lithium. Với sự gia tăng của , các ion lithium sẽ được xen kẽ dần dần thành than chì, do đó cải thiện khả năng sẵn có của điện cực lai và tăng mật độ năng lượng.

(Bài viết này chỉ mang tính tham khảo và không đại diện cho bất kỳ lời khuyên đầu tư nào từ chúng tôi. Để biết thông tin liên quan, vui lòng tham khảo báo cáo gốc.)