Analys av elektrisk ledningsförmåga och kompressionsegenskaper hos hårt kol och grafitmaterial

Analys av elektrisk ledningsförmåga och kompressionsegenskaper hos hårt kol och grafitmaterial

Med den snabba utvecklingen av den nya energiindustrin ökar också marknadens efterfrågan på litiumjonbatterier. På grund av begränsningar av råvaruresurser och kostnadsproblem för litiumjonbatterier har natriumjonbatterier gradvis uppmärksammats av många forskare. Bland dem är den mest använda grafitanoden i litiumjonbatterier. När det används i natriumjonbatterier, på grund av termodynamiska skäl, är natriumjon svår att bädda in mellan grafitskikt, och det är inte lätt att bilda stabila interkalationsföreningar med kol. Därför är det svårt för natriumjonbatterier att använda grafit som katodmaterial¹Och inget kvalitativt hårt kolmaterial har en mycket bra natriumlagringsprestanda (specifik kapacitet på 300mAh/g) och en låg natriumlagringspotential (plattformsspänningen är cirka 0,1V), är det mest lovande natriumjonbatteriets katodmaterial. Utöver de välkända skillnaderna i struktur, morfologi och elektrokemiska kurvor mellan grafit- och hårdkolmaterial, hur olika är konduktiviteten, packningsdensiteten och rebound-egenskaperna hos pulver? I detta dokument väljs två vanligt använda grafit- och hårdkolpulver för att jämföra den elektriska ledningsförmågan och packningsdensiteten och rebound-egenskaperna för de två materialtyperna för att få en djupare förståelse av egenskaperna hos de två materialen.

Figur 1. Strukturella skillnader i grafit, hårt kol och mjukt kol²

1. Testmetod

1.1 Testutrustning: PRCD3100 används för två sorters grafit och två sorters hårt kolpulver. Utrustningen är som visas i figur 2.

Figur 2. (a) PRCD3100 utseendediagram; (b) PRCD3100 strukturdiagram

1.2 Testparametrar: applicera ett tryckområde på 5-200MPa, med 20MPa-intervall, och tryckhållning i 10s

2. Testresultat

Konduktivitets- och packningsdensitetstestkurvorna för de fyra grafit- och hårdkolmaterialen visas i figur 3. Från resultatkurvorna är konduktiviteten och packningsdensiteten för de två grafitmaterialen betydligt större än de för de två hårda kolmaterialen. Olika grafitmaterial skiljer sig också i konduktivitet på grund av deras grafitiseringsgrad eller strukturella morfologi.

Figur 3 Elektrisk ledningsförmåga och komprimeringsdensitetskurvor för de fyra grafit- och hårdkolmaterialen

Testa trycktrycket och tryckavlastningen för de fyra materialen, ladda trycket enligt tryckförändringskurvan som visas i figur 4 (a), och justera motsvarande materialtjockleksändring och tjockleksrebound-kurvan som visas i figur 4 (a) och (b). När fyra pulver av samma kvalitet tas för kompressionstestet, är det absoluta tjockleksvärdet för det hårda kolmaterialet och förändringen av tjockleksrebound större än det för grafitmaterialet. När grafitmaterialet är på cirka 50 MPa, är tjockleken Rebound-mängden är relativt stabil, medan när det hårda kolmaterialet är över 50 MPa, ökar tjockleksrebound-mängden fortfarande gradvis. Använd den maximala tryckavlastningen för att få töjningskurvan i figur 4 (d), genom att analysera den maximala formvariabeln,

Figur 4 Spännings- och töjningskurvor för de fyra materialen

Tabell 1. Sammanfattning av variabeldata för de fyra materialen

Enligt ovanstående testresultat är den elektriska ledningsförmågan hos grafit bättre än hårt kol, och kompressionsprestandan för partikelskiktet är bättre än hårt kol. Orsakerna till de strukturella skillnaderna mellan hårt kol och grafit visas i figur 5 och 6.Grafit är en lamlagerstruktur, varje lager av kol till en plan hexagonal struktur, en kolatom runt tre kol-kol enkelbindningar, och kolatomer yttre skikt har fyra valenselektroner, grafit varje kolatom lämnade en valenselektron obunden, mellan lamina av van der Waals krafter. När de strömförsörjs kommer dessa obundna valenselektroner att röra sig i riktningen i skiktet för att bilda en strömström, så grafitens elektriska ledningsförmåga är bättre. Dock, på grund av förekomsten av molekylär tvärbindning och kovalenta COC-bindningar i deras prekursor, är det mer sannolikt att hårda kolmaterial bildar en stel tvärbindningsstruktur i pyrolysprocessen och producerar ett stort antal defekter, mikroporer och syrebärande funktionella grupper. Dessa strukturer i karboniseringsstadiet kommer att hämma grafittillväxt och orienteringsstapling och bildar ett stort antal slumpmässiga fördelningar av krökt grafit, även vid 2500 ℃ och högre temperatur, kommer material inte att bilda grafit, kan bara bilda en kort räckvidd, lång - räckviddsstörning av grafitmikrokristallstruktur, denna struktur hindrade elektronens riktningsrörelse, så ledningsförmågan hos hårt kolmaterial är lägre.I processen med materialkomprimering,³Och hårt kol inuti ett stort antal mikrohål, under 200 MP kan ett tryck nästan inte fyllas helt, så tätheten för hård kolkomprimering är lägre än grafit, men den hårda kolstörningen är högre, mikrostrukturen av kolskikts stapling och tvärbindningsinteraktion, gör att dess elasticitet bör ändras stor, så tjockleken på den hårda kolrebound efter tryckurladdning är större.

Fig. 5 Bildning och mikrostruktur av grafit, hårt kol och mjukt kolmaterial²

Figur 6. Schematiskt diagram över den strukturella analysen av hårdkolmaterialen²

Summera

I detta dokument testade PRCD3100 ledningsförmågan, packningsdensiteten och rebound-egenskaperna hos grafit och hårt kolpulver, och fann att den elektriska ledningsförmågan hos grafit är högre än för hårt kol, och att kompressionsprestanda för partikelnivån är högre än för hårt kol, som huvudsakligen är relaterat till mikrostrukturen hos de två materialen. När båda används i batterier av olika system, förutom elektrisk ledningsförmåga och kompressibilitet, men också för att överväga deras natriumlagring eller litiumlagringsprestanda.

Referensdokumentation

1. Hu Yongsheng, Lu Jiaxiang, Chen Liquan, etc., Sodium Ion Battery Science and Technology, Science Press, 2020, 134-137.

2. Lijing Xie, Cheng Tang, Zhihong Bi, et al. Hårda kolanoder för nästa generations Li-Ion-batterier: granskning och perspektiv. Adv. Energy Mater. 2021, 2101650.