O material do ânodo é um componente essencial das baterias de íons de lítio. Ele determina o desempenho da taxa de transferência das baterias de íons de lítio. Também afeta a eficiência inicial de carga-descarga e a estabilidade do ciclo. Os ânodos de grafite natural são feitos de grafite em flocos natural. O processo inclui esmagamento, esferoidização, classificando, purificação e modificação de superfície. São de baixo custo, abundantes, seguros e atóxicos. Também oferecem boa condutividade elétrica. Entre eles, o grafite esférico apresenta as vantagens de boa condutividade, alta cristalinidade, baixo custo, etc. Também possui as características de baixo potencial de carga e descarga, longo ciclo de vida e proteção ambiental sustentável. Gradualmente, tornou-se um produto substituto para materiais de eletrodo negativo usados na produção de baterias de íons de lítio. Compreendendo os principais fatores que influenciam a morfologia das partículas durante preparação de grafite esférica é essencial para otimizar o processo de preparação e obter grafite esférico de alta qualidade.
Por que usar grafite esférico
A grafite natural possui boa condutividade, alta cristalinidade e boa estrutura em camadas. Atualmente, é o material de eletrodo negativo mais utilizado para baterias de íons de lítio. Os eletrodos negativos de grafite geralmente utilizam grafite em flocos natural, mas apresentam as seguintes desvantagens:
- O pó de grafite em flocos tem uma grande área de superfície específica, o que tem grande influência na carga inicial e na eficiência de descarga do eletrodo negativo.
- A estrutura em camadas do grafite permite que o Li⁺ entre apenas pela borda e se difunda para dentro.
Devido à anisotropia do grafite em flocos, a difusão do Li⁺ é longa e irregular, resultando em menor capacidade. - O pequeno espaçamento entre camadas da grafite aumenta a resistência à difusão do Li⁺ e resulta em baixo desempenho de taxa. Durante o carregamento rápido, o Li⁺ tende a se depositar na superfície, formando dendritos e representando riscos à segurança.
Para resolver esses problemas, a grafite precisa ser modificada para otimizar o desempenho do ânodo. Um método fundamental é a esferificação. A grafite natural esférica possui menor área superficial e maior densidade de compactação. Isso leva a uma maior eficiência coulômbica inicial, maior capacidade reversível e melhor estabilidade do ciclo.
Como obter grafite esférico
A grafite esférica é normalmente produzida a partir de flocos de grafite natural de alta qualidade e alto teor de carbono. Técnicas avançadas de processamento modificam a superfície para criar grafite elíptica, esférica, com finura variável.
A grafite esférica é produzida pela moagem mecânica de flocos de grafite natural em tamanhos de partículas adequados, utilizando um moinho tipo favo de mel. Em seguida, o fluxo de ar do moinho arredonda as bordas, formando formas elípticas ou quase esféricas. Um classificador separa as partículas esféricas dos pós finos que se desprendem durante o arredondamento, resultando em grafite esférica com distribuição normal.
Além do grafite natural em flocos, pesquisadores desenvolveram grafite esférico artificial. Por exemplo, resíduos do corte de eletrodos de grafite — após processamento limpo — são utilizados como matéria-prima. Um novo método de revestimento-granulação pressurizado em fase úmida, combinado com carbonização em forno de caixa, possibilita uma produção de baixo custo, alta qualidade e ecologicamente correta. Esse processo resulta em ânodos de grafite esférico artificial com estrutura núcleo-casca.
Conclusão
Em resumo, a preparação de grafite esférica com morfologia de partículas desejável é um processo complexo influenciado por múltiplos fatores. As características da matéria-prima de grafite, incluindo sua estrutura cristalina e pureza, estabelecem a base para a forma final da partícula. Os parâmetros do processo de preparação, como método de moagem, tempo e intensidade, temperatura de tratamento térmico, taxa de aquecimento, tempo de manutenção e tratamento químico com agentes oxidantes e surfactantes, interagem para determinar a morfologia das partículas de grafite esférica. Controlando cuidadosamente esses fatores-chave, é possível otimizar o processo de preparação e produzir grafite esférica de alta qualidade com a morfologia de partículas desejada para diversas aplicações, particularmente no campo em rápido desenvolvimento das baterias de íon-lítio.
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