Анализ электропроводности и компрессионных свойств твердых углеродных и графитовых материалов

Анализ электропроводности и компрессионных свойств твердых углеродных и графитовых материалов

С быстрым развитием новой энергетической отрасли растет и рыночный спрос на литий-ионные аккумуляторы. Из-за ограниченности ресурсов сырья и проблем со стоимостью литий-ионных аккумуляторов натрий-ионные аккумуляторы постепенно привлекли внимание многих исследователей. Среди них наиболее часто используется графитовый анод в ионно-литиевых батареях. При использовании в натрий-ионных батареях из-за термодинамических причин ион натрия трудно внедрить между графитовыми слоями, и нелегко образовать стабильные интеркаляционные соединения с углеродом. Поэтому для натрий-ионных аккумуляторов трудно использовать графит в качестве катодного материала.¹И ни один качественный твердый углеродный материал не обладает очень хорошими характеристиками хранения натрия (удельная емкость 300 мАч / г) и низким потенциалом хранения натрия (напряжение платформы составляет около 0,1 В), что является наиболее многообещающим катодным материалом для ионно-натриевых батарей. В дополнение к хорошо известным различиям в структуре, морфологии и электрохимических кривых между графитом и твердоуглеродистыми материалами, насколько различаются проводимость, плотность уплотнения и свойства отскока порошков? В этой статье два обычно используемых порошка графита и твердого углерода выбраны для сравнения электропроводности, плотности уплотнения и свойств отскока двух типов материалов, чтобы иметь более глубокое понимание свойств двух материалов.

Рис. 1. Структурные различия графита, твердого и мягкого углерода.²

1. Метод испытаний

1.1 Испытательное оборудование: PRCD3100 используется для двух видов графита и двух видов твердого углеродного порошка. Оборудование показано на рисунке 2.

Рис. 2. (а) схема внешнего вида PRCD3100 ; (б) Структурная схема PRCD3100

1.2 Параметры испытаний: примените диапазон давления 5-200 МПа с интервалом 20 МПа и удержание давления в течение 10 с.

2. Результаты испытаний

Кривые испытаний проводимости и плотности уплотнения четырех графитовых и твердых углеродных материалов показаны на рисунке 3. Судя по кривым результатов, проводимость и плотность уплотнения двух графитовых материалов значительно выше, чем у двух твердых углеродных материалов. Различные графитовые материалы также различаются по проводимости из-за степени их графитизации или структурной морфологии.

Рис. 3. Кривые электропроводности и плотности уплотнения четырех графитовых и твердых углеродных материалов.

Проверьте давление давления и сброс давления для четырех материалов, загрузите давление в соответствии с кривой изменения давления, как показано на рисунке 4 (а), и отрегулируйте соответствующее изменение толщины материала и кривую отскока толщины, как показано на рисунке 4 (а). и (б). Когда для испытания на сжатие берут четыре порошка одинакового качества, абсолютное значение толщины твердого углеродного материала и изменение толщины отскока больше, чем у графитового материала. Когда графитовый материал составляет около 50 МПа, толщина величина отскока относительно стабильна, в то время как, когда твердый углеродный материал превышает 50 МПа, величина отскока по толщине все еще постепенно увеличивается. Используя максимальный сброс давления, получите кривую деформации напряжения на рисунке 4 (d), проанализировав максимальную переменную формы,

Рис. 4. Кривые напряжения и деформации для четырех материалов.

Таблица 1. Сводка переменных данных для четырех материалов

Согласно приведенным выше результатам испытаний, электропроводность графита лучше, чем у твердого углерода, а характеристики сжатия слоя частиц лучше, чем у твердого углерода. Причины структурных различий между твердым углеродом и графитом показаны на рисунках 5 и 6. Графит представляет собой слоистую структуру, каждый слой углерода представляет собой плоскую шестиугольную структуру, атом углерода вокруг трех одинарных углерод-углеродных связей, а внешний слой атомов углерода имеет четыре валентных электрона, графит, каждый атом углерода оставил валентный электрон несвязанным, между пластинки силами Ван-дер-Ваальса. При подаче питания эти несвязанные валентные электроны будут двигаться в слое, образуя ток, поэтому электропроводность графита лучше. Однако, из-за наличия молекулярной сшивки и ковалентных связей СОС в их предшественнике твердые углеродные материалы с большей вероятностью образуют жесткую сшивающую структуру в процессе пиролиза, а также дают большое количество дефектов, микропор и кислородсодержащих функциональных групп. Эти структуры на стадии карбонизации будут препятствовать росту и ориентации графита, а также образовывать большое количество случайных распределений изогнутого графита, даже при температуре 2500 ℃ и выше, материалы не будут образовывать графит, могут образовывать только ближний порядок, длинный -диапазон беспорядка микрокристаллической структуры графита, эта структура препятствует направленному движению электрона, поэтому проводимость твердого углеродного материала ниже. В процессе сжатия материала,³И твердый углерод внутри большого количества микроотверстий при давлении 200 МП почти не может быть заполнен полностью, поэтому плотность уплотнения твердого углерода ниже, чем у графита, но беспорядок твердого углерода выше, микроструктура укладки углеродного слоя и взаимодействие поперечных связей, чтобы его эластичность изменилась, поэтому толщина отскока твердого углерода после сброса давления больше.

Рис. 5 Формирование и микроструктура графита, твердых углеродных и мягких углеродных материалов²

Рис. 6. Схематическая диаграмма структурного анализа твердоуглеродных материалов.²

Подвести итог

В этой статье PRCD3100 проверил проводимость, плотность уплотнения и свойства отскока порошков графита и твердого углерода и обнаружил, что электропроводность графита выше, чем у твердого углерода, а эффективность сжатия на уровне частиц выше, чем у твердый углерод, что в основном связано с микроструктурой двух материалов. Когда оба используются в батареях разных систем, в дополнение к электропроводности и сжимаемости, но также необходимо учитывать их характеристики хранения натрия или лития.

Справочная документация

1. Ху Юншэн, Лу Цзясян, Чен Лицюань и др., Наука и технология ионно-натриевых аккумуляторов, Наука Нажимать , 2020, 134-137.

2. Лицзин Се , Ченг Тан , Чжихун би и др. Твердые углеродные аноды для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения: обзор и перспективы, реклама . Энергия Матер , 2021, 2101650.