Analyse der elektrischen Leitfähigkeit und Kompressionseigenschaften von harten Kohlenstoff- und Graphitmaterialien

Analyse der elektrischen Leitfähigkeit und Kompressionseigenschaften von harten Kohlenstoff- und Graphitmaterialien

Mit der rasanten Entwicklung der neuen Energiebranche steigt auch die Marktnachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der begrenzten Rohstoffressourcen und der Kostenprobleme von Lithium-Ionen-Batterien haben Natrium-Ionen-Batterien nach und nach die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen. Darunter die am häufigsten verwendete Graphitanode in Lithium-Ionen-Batterien. Bei der Verwendung in Natriumionenbatterien ist es aus thermodynamischen Gründen schwierig, Natriumionen zwischen Graphitschichten einzubetten, und es ist nicht einfach, stabile Interkalationsverbindungen mit Kohlenstoff zu bilden. Daher ist es für Natriumionenbatterien schwierig, Graphit als Kathodenmaterial zu verwenden¹Und kein hochwertiges Hartkohlenstoffmaterial hat eine sehr gute Natriumspeicherleistung (spezifische Kapazität von 300 mAh/g) und ein niedriges Natriumspeicherpotential (Plattformspannung beträgt etwa 0,1 V) und ist das vielversprechendste Kathodenmaterial für Natriumionenbatterien. Wie unterschiedlich sind neben den bekannten Unterschieden in Struktur, Morphologie und elektrochemischen Kurven zwischen Graphit- und Hartkohlenstoffmaterialien auch die Leitfähigkeit, die Verdichtungsdichte und die Rückpralleigenschaften von Pulvern? In diesem Artikel werden zwei häufig verwendete Graphit- und Hartkohlenstoffpulver ausgewählt, um die elektrische Leitfähigkeit sowie die Verdichtungsdichte und die Rückpralleigenschaften der beiden Materialtypen zu vergleichen und so ein tieferes Verständnis der Eigenschaften der beiden Materialien zu erhalten.

Abbildung 1. Strukturelle Unterschiede zwischen Graphit, Hartkohlenstoff und Weichkohlenstoff²

1. Testmethode

1.1 Testausrüstung: PRCD3100 wird für zwei Arten von Graphit und zwei Arten von Hartkohlenstoffpulver verwendet. Die Ausstattung ist wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. (a) PRCD3100-Erscheinungsbilddiagramm; (b) PRCD3100-Strukturdiagramm

1.2 Testparameter: Wenden Sie einen Druckbereich von 5–200 MPa mit 20 MPa-Intervallen an und halten Sie den Druck 10 Sekunden lang

2. Testergebnisse

Die Testkurven für Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte der vier Graphit- und Hartkohlenstoffmaterialien sind in Abbildung 3 dargestellt. Aus den Ergebniskurven geht hervor, dass die Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte der beiden Graphitmaterialien deutlich größer sind als die der beiden Hartkohlenstoffmaterialien. Verschiedene Graphitmaterialien unterscheiden sich auch in der Leitfähigkeit aufgrund ihres Graphitierungsgrads oder ihrer strukturellen Morphologie.

Abbildung 3: Elektrische Leitfähigkeits- und Verdichtungsdichtekurven der vier Graphit- und Hartkohlenstoffmaterialien

Testen Sie den Druck und die Druckentlastung der vier Materialien, laden Sie den Druck gemäß der Druckänderungskurve, wie in Abbildung 4 (a) gezeigt, und passen Sie die entsprechende Materialdickenänderung und die Dickenrückprallkurve an, wie in Abbildung 4 (a) gezeigt. und B). Wenn vier Pulver gleicher Qualität für den Kompressionstest verwendet werden, sind der absolute Dickenwert des Hartkohlenstoffmaterials und die Änderung des Dickenrückpralls größer als die des Graphitmaterials. Wenn das Graphitmaterial etwa 50 MPa beträgt, beträgt die Dicke Der Rückprallbetrag ist relativ stabil, während der Rückprallbetrag der Dicke immer noch allmählich zunimmt, wenn das harte Kohlenstoffmaterial über 50 MPa liegt. Erhalten Sie unter Verwendung der maximalen Druckentlastung die Spannungs-Dehnungs-Kurve von Abbildung 4 (d), indem Sie die maximale Formvariable analysieren.

Abbildung 4 Spannungs- und Dehnungskurven der vier Materialien

Tabelle 1. Zusammenfassung der variablen Daten für die vier Materialien

Den obigen Testergebnissen zufolge ist die elektrische Leitfähigkeit von Graphit besser als die von Hartkohlenstoff und die Kompressionsleistung der Partikelschicht ist besser als die von Hartkohlenstoff. Die Gründe für die strukturellen Unterschiede zwischen Hartkohlenstoff und Graphit sind in den Abbildungen 5 und dargestellt 6.Graphit ist eine Lamelayer-Struktur, wobei jede Kohlenstoffschicht eine planare sechseckige Struktur aufweist, ein Kohlenstoffatom um drei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen herum angeordnet ist und die äußere Schicht der Kohlenstoffatome vier Valenzelektronen aufweist, wobei Graphit zwischen jedem Kohlenstoffatom ein ungebundenes Valenzelektron hinterlässt der Lamina durch Van-der-Waals-Kräfte. Wenn sie mit Energie versorgt werden, bewegen sich diese ungebundenen Valenzelektronen gerichtet in der Schicht und bilden einen Strom, sodass die elektrische Leitfähigkeit des Graphits besser ist. Jedoch, Aufgrund der Existenz molekularer Vernetzung und kovalenter COC-Bindungen in ihrem Vorläufer ist es wahrscheinlicher, dass harte Kohlenstoffmaterialien im Pyrolyseprozess eine starre Vernetzungsstruktur bilden und eine große Anzahl von Defekten, Mikroporen und sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen erzeugen. Diese Strukturen in der Karbonisierungsphase hemmen das Graphitwachstum und die Orientierungsstapelung und bilden eine große Anzahl zufälliger Verteilungen von gebogenem Graphit. Selbst bei 2500 °C und höheren Temperaturen bilden die Materialien keinen Graphit, sondern können nur eine Nah- und Langstreckenordnung bilden -Bereichsstörung der Graphit-Mikrokristallstruktur, diese Struktur behinderte die Richtungsbewegung des Elektrons, sodass die Leitfähigkeit von hartem Kohlenstoffmaterial geringer ist. Beim Prozess der Materialkompression ist³Und harter Kohlenstoff in einer großen Anzahl von Mikrolöchern, unter einem Druck von 200 MP kann ein Druck fast nicht vollständig gefüllt werden, so dass die Verdichtungsdichte von hartem Kohlenstoff geringer ist als die von Graphit, aber die Unordnung von hartem Kohlenstoff ist höher, die Mikrostruktur der Kohlenstoffschichtstapelung und die Vernetzungswechselwirkung, Seine Elastizität sollte sich stark ändern, sodass die Dicke des Rückpralls des harten Kohlenstoffs nach der Druckentlastung größer ist.

Abb. 5 Bildung und Mikrostruktur von Graphit-, Hartkohlenstoff- und Weichkohlenstoffmaterialien²

Abbildung 6. Schematische Darstellung der Strukturanalyse der Hartkohlenstoffmaterialien²

Zusammenfassen

In diesem Artikel testete PRCD3100 die Leitfähigkeit, Verdichtungsdichte und Rückpralleigenschaften von Graphit und Hartkohlenstoffpulvern und stellte fest, dass die elektrische Leitfähigkeit von Graphit höher ist als die von Hartkohlenstoff und die Kompressionsleistung der Partikelebene höher ist als die von Hartkohlenstoff, der hauptsächlich mit der Mikrostruktur der beiden Materialien zusammenhängt. Wenn beide in Batterien unterschiedlicher Systeme eingesetzt werden, sind neben elektrischer Leitfähigkeit und Kompressibilität auch deren Natriumspeicher- bzw. Lithiumspeicherleistung zu berücksichtigen.

Referenzdokumentation

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

2. Lijing Xie, Cheng Tang, Zhihong Bi, et al. Hartkohlenstoffanoden für Li-Ion-Batterien der nächsten Generation: Rückblick und Perspektive. Adv. Energy Mater. 2021, 2101650.