Mặc dù việc ứng dụng vật liệu cực dương Si dung lượng cao đã dần trở nên phổ biến, nhưng cực dương than chì vẫn là vật liệu cực dương chính của pin lithium do hiệu suất điện hóa tuyệt vời của chúng. Trong quá trình sạc, Li+ được giải phóng khỏi điện cực dương, khuếch tán vào bề mặt điện cực âm và nhúng vào điện cực âm than chì thông qua chất điện phân. Quá trình xả hoàn toàn ngược lại. Tiềm năng xen kẽ lithium của vật liệu than chì gần bằng Li kim loại, có thể cải thiện hiệu quả điện áp của pin lithium, do đó cải thiện mật độ năng lượng, nhưng mặt khác, nó cũng dẫn đến giảm và phân hủy hiện tại chất điện phân cacbonat thông thường trên bề mặt của điện cực âm than chì, dẫn đến việc tiêu thụ Li hoạt động. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phân hủy chất điện phân trên bề mặt điện cực âm là nguyên nhân. Do đó, việc lựa chọn vật liệu cực dương than chì có ý nghĩa rất lớn để cải thiện đặc tính tuổi thọ của pin lithium.

Gần đây, ChengyuMao (tác giả đầu tiên) và ZhijiaDu (tác giả tương ứng) của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Hoa Kỳ đã phân tích ảnh hưởng của 6 vật liệu than chì nhân tạo và tự nhiên chủ đạo đến hiệu suất chu kỳ của pin NCM811 và phân tích cho thấy diện tích bề mặt cụ thể nhỏ hơn. Vật liệu này có thể đạt được hiệu suất Coulomb ban đầu cao hơn và cũng hoạt động tốt hơn trong quá trình đạp xe dài hạn.

Trong thí nghiệm, ChengyuMao đã sử dụng vật liệu NCM811 từ Targray, Canada làm điện cực dương và sáu điện cực âm than chì là A12 từ ConcoPhillips, APS19 từ GrafTech, SCMG-BH từ Showa Denko, MAGE và MAGE3 từ Hitachi Chemical và SLC1520T từ Superior .

Hình dưới đây cho thấy hình thái của một số vật liệu than chì. Từ hình vẽ, có thể thấy rằng các vật liệu SCMG-BH, MAGE và MAGE3 về cơ bản có hình dạng "khoai tây", A12 và APS19 có cấu trúc dạng tấm và vật liệu SLC1520T gần với cấu trúc hình cầu hơn. Bề mặt tương đối nhẵn nên SLC1520T cũng thu được diện tích bề mặt riêng nhỏ nhất (như bảng trên).

Kích thước tinh thể than chì có thể thu được từ chế độ xem mặt cắt ngang của các hạt. Có thể thấy từ hình bên dưới rằng kích thước tinh thể than chì của vật liệu SCMG-BH là nhỏ nhất. Vì chất điện phân dễ phân hủy hơn ở rìa của tấm tinh thể than chì nên các hạt tinh thể nhỏ hơn. SCMG-BH Vật liệu này sẽ khiến chất điện phân bị phân hủy nhiều hơn, dẫn đến hiệu suất điện dung thấp của pin và ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin lithium.

Hình dưới đây cho thấy khả năng đảo ngược của 6 loại vật liệu điện cực âm được thải ra ở tỷ lệ C/3 trong pin đồng xu. Từ hình có thể thấy rằng dung lượng đảo ngược của hầu hết các loại than chì có thể đạt tới hơn 350mAh/g, chỉ có vật liệu SCMG-BH của Showa Denko Dung lượng đảo ngược là 322mAh/g.

Trong quá trình chèn lithium ban đầu, chất điện phân sẽ bị phân hủy trên bề mặt của điện cực âm than chì khi điện thế giảm. Do đó, diện tích bề mặt cụ thể của than chì sẽ có tác động đáng kể đến hiệu suất coulomb trong lần sạc và xả đầu tiên của pin. Hình dưới đây cho thấy vật liệu NCM811 và các loại khác Đường cong sạc-xả của pin đầy (gói mềm) bao gồm một điện cực âm than chì trong quá trình hình thành, dung lượng của vật liệu NCM811 trong lần sạc và xả đầu tiên được thể hiện trong bảng sau , trong đó vật liệu MAGE của Hitachi Chemical với diện tích bề mặt riêng nhỏ hơn có hiệu suất đầu tiên cao nhất, đạt đến Vật liệu MAGE3 có hiệu suất coulomb thấp nhất là 82,2%, điều này cũng liên quan đến diện tích bề mặt riêng lớn là 4,97m2/ g.

Hình dưới đây cho thấy các đường cong chu kỳ của pin sử dụng một số điện cực âm than chì khác nhau (3,0-4,2V, điện tích C/3 và điện cực C/3). Để tăng tốc độ phân rã của pin, tác giả cũng đã thêm thời gian sạc 3 giờ cho mỗi lần sạc. Từ hình có thể thấy rằng việc bổ sung quy trình áp suất không đổi kéo dài 3 giờ đã làm tăng đáng kể tốc độ phân rã của pin lithium. Sau 300 chu kỳ, chỉ có tỷ lệ duy trì dung lượng pin của vật liệu MAGE và SLC1520T là vượt quá 80%. , vật liệu MAGE3 và SCMG-BH có hiệu suất chu kỳ pin kém nhất, sẽ hết tuổi thọ trước tiên. Pin sử dụng các cực dương khác nhau cũng cho thấy các đặc điểm phân rã khác nhau. Ví dụ: pin sử dụng vật liệu A12 và APS19 bắt đầu tăng tốc độ phân rã sau 200 chu kỳ, trong khi vật liệu MAGE3 và SCMG-BH cho thấy tốc độ phân hủy nhanh hơn trong giai đoạn đầu. Đồng thời, chúng ta cũng có thể nhận thấy từ bảng bên dưới rằng dung lượng ban đầu của pin sử dụng MAGE3 và SCMG-BH cũng thấp hơn so với pin sử dụng các vật liệu khác, điều này cũng rất quan trọng vì hiệu suất Coulomb tương đối thấp của hai loại này. nguyên vật liệu. gây ra.

Để phân tích cơ chế phân rã của một số pin lithium với các điện cực âm khác nhau trong quá trình đạp xe, tác giả đã mổ xẻ pin sau khi đạp xe và chế tạo pin nút có điện cực dương và âm. Dung lượng đã giảm đáng kể và hiệu suất tốc độ cũng giảm đáng kể. Ngược lại, điện cực âm (Hình d bên dưới) chỉ giảm nhẹ khả năng đảo ngược (dưới 3%) sau khi đạp xe, nhưng hiệu suất tốc độ đã giảm. , các vật liệu SCMG-BH, A12 và MAGE3 tuần hoàn có công suất tương đối thấp ở tốc độ cao.

Để phân tích nguyên nhân làm giảm hiệu suất tốc độ sau khi vật liệu dương và âm bị lão hóa, tác giả cũng đã sử dụng phương pháp trở kháng AC để phân tích pin cúc áo. Trong hình, chúng ta có thể nhận thấy rằng ngoài hình bán nguyệt ở vùng tần số cao, vật liệu NCM811 được tuần hoàn còn có một hình bán nguyệt mới ở vùng tần số trung gian, đây có thể là quá trình trao đổi điện tích tương đối chậm trong vật liệu NCM811 được tuần hoàn, chẳng hạn vì có thể một pha mới xuất hiện trên bề mặt của các hạt NCM811, dẫn đến sự gia tăng điện trở trao đổi điện tích.

Hình dưới đây cho thấy phổ trở kháng AC của nửa tế bào dạng đồng xu được tạo thành từ điện cực âm sau khi hình thành và điện cực âm sau khi đạp xe. So với điện cực dương, trở kháng của điện cực âm tương đối nhỏ, cho thấy điện trở trong của pin đầy sau khi đạp xe tăng lên nhiều hơn là do điện cực dương. Đã thêm trở kháng. Và sự thay đổi trở kháng AC của các cực dương khác nhau sau khi đạp xe cũng khác nhau. Trở kháng của vật liệu A12, SCMG-BH và MAGE3 gần như tăng gấp đôi sau khi đạp xe. Nó dẫn đến một lượng lớn tiêu thụ Li hoạt động, dẫn đến hiệu suất chu kỳ kém của toàn bộ pin của các vật liệu này, trong khi các vật liệu MAGE và SLC1520T có hiệu suất chu kỳ tốt hơn cũng có trở kháng tăng tương đối ít sau khi đạp xe, điều này chủ yếu là do đến thực tế là Diện tích bề mặt riêng nhỏ hơn của hai vật liệu này làm giảm sự phân hủy của chất điện phân.

Hình dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa diện tích bề mặt cụ thể, hiệu suất sơ cấp và kích thước hạt âm của một số vật liệu cực dương và tỷ lệ duy trì công suất của toàn bộ tế bào. Từ hình vẽ, có thể thấy rằng các vật liệu MAGE và SLC1520T có diện tích bề mặt riêng nhỏ nhất không chỉ lần đầu tiên có hiệu suất coulomb cao nhất mà khả năng duy trì công suất cao nhất cũng được thể hiện trong quá trình đạp xe dài hạn, trong khi MAGE3 và Các vật liệu APS19 có diện tích bề mặt riêng lớn hơn thể hiện hiệu suất coulomb đầu tiên thấp hơn và hiệu suất chu kỳ kém.

Nói chung, bề mặt cụ thể của cực dương than chì có tác động quan trọng đến hiệu suất coulomb và độ ổn định chu kỳ dài hạn của nó. Các vật liệu có bề mặt riêng nhỏ hơn có thể làm giảm sự phân hủy của chất điện phân, do đó cải thiện hiệu suất coulomb đầu tiên và độ ổn định chu kỳ dài hạn của pin. Do đó, đối với pin lithium yêu cầu đặc tính tuổi thọ cao hơn, nên chọn vật liệu than chì có diện tích bề mặt riêng nhỏ hơn.