Análisis de conductividad eléctrica y propiedades de compresión de materiales de carbono duro y grafito

Análisis de conductividad eléctrica y propiedades de compresión de materiales de carbono duro y grafito

Con el rápido desarrollo de la industria de la nueva energía, la demanda del mercado de baterías de iones de litio también está aumentando. Debido a las limitaciones de recursos de materia prima y los problemas de costos de las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio han atraído gradualmente la atención de muchos investigadores. Entre ellos, el ánodo de grafito más utilizado en las baterías de iones de litio. Cuando se utiliza en baterías de iones de sodio, debido a razones termodinámicas, los iones de sodio son difíciles de incrustar entre las capas de grafito y no es fácil formar compuestos de intercalación estables con el carbono. Por lo tanto, es difícil que las baterías de iones de sodio utilicen grafito como material catódico.¹Y ningún material de carbono duro cualitativo tiene un rendimiento de almacenamiento de sodio muy bueno (capacidad específica de 300 mAh / g) y un potencial de almacenamiento de sodio bajo (el voltaje de la plataforma es de aproximadamente 0,1 V), es el material de cátodo de batería de iones de sodio más prometedor. Además de las conocidas diferencias en estructura, morfología y curvas electroquímicas entre el grafito y los materiales de carbón duro, ¿qué tan diferentes son la conductividad, la densidad de compactación y las propiedades de rebote de los polvos? En este documento, se seleccionan dos polvos de grafito y carbón duro de uso común para comparar la conductividad eléctrica y la densidad de compactación y las propiedades de rebote de los dos tipos de materiales para tener una comprensión más profunda de las propiedades de los dos materiales.

Figura 1. Diferencias estructurales en grafito, carbono duro y carbono blando²

1. Método de prueba

1.1 Equipo de prueba: PRCD3100 se utiliza para dos tipos de grafito y dos tipos de polvo de carbón duro. El equipo es como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. (a) Diagrama de apariencia del PRCD3100; (b) diagrama de estructura PRCD3100

1.2 Parámetros de prueba: aplique un rango de presión de 5-200 MPa, con un intervalo de 20 MPa y mantenga la presión durante 10 s

2. Resultados de la prueba

Las curvas de prueba de conductividad y densidad de compactación de los cuatro materiales de grafito y carbono duro se muestran en la Figura 3. De las curvas de resultados, la conductividad y la densidad de compactación de los dos materiales de grafito son significativamente mayores que las de los dos materiales de carbono duro. Diferentes materiales de grafito también difieren en conductividad debido a su grado de grafitización o morfología estructural.

Figura 3 Curvas de conductividad eléctrica y densidad de compactación de los cuatro materiales de grafito y carbón duro

Pruebe la presión y el alivio de presión de los cuatro materiales, cargue la presión de acuerdo con la curva de cambio de presión como se muestra en la Figura 4 (a) y ajuste el cambio de espesor del material correspondiente y la curva de rebote del espesor como se muestra en la Figura 4 (a) y B). Cuando se toman cuatro polvos de la misma calidad para la prueba de compresión, el valor absoluto del espesor del material de carbono duro y el cambio del rebote del espesor son mayores que los del material de grafito. Cuando el material de grafito tiene aproximadamente 50MPa, el espesor La cantidad de rebote es relativamente estable, mientras que cuando el material de carbono duro está por encima de 50 MPa, la cantidad de rebote del espesor sigue aumentando gradualmente. Usando el alivio de presión máximo, obtenga la curva de tensión deformación de la Figura 4 (d), analizando la variable de forma máxima,

Figura 4 Curvas de tensión y deformación de los cuatro materiales

Tabla 1. Resumen de datos variables para los cuatro materiales

De acuerdo con los resultados de las pruebas anteriores, la conductividad eléctrica del grafito es mejor que la del carbono duro y el rendimiento de compresión de la capa de partículas es mejor que el del carbono duro. Las razones de las diferencias estructurales entre el carbono duro y el grafito se muestran en las Figuras 5 y 6. El grafito es una estructura lamelayer, cada capa de carbono en una estructura hexagonal plana, un átomo de carbono alrededor de tres enlaces simples carbono-carbono, y la capa externa de átomos de carbono tiene cuatro electrones de valencia, cada átomo de carbono de grafito dejó un electrón de valencia sin unir, entre la lámina por fuerzas de van der Waals. Cuando se activan, estos electrones de valencia no enlazados se moverán direccionalmente en la capa para formar una corriente, por lo que la conductividad eléctrica del grafito es mejor. Sin embargo, Debido a la existencia de enlaces cruzados moleculares y enlaces COC covalentes en su precursor, es más probable que los materiales de carbono duro formen una estructura rígida de enlaces cruzados en el proceso de pirólisis y produzcan una gran cantidad de defectos, microporos y grupos funcionales portadores de oxígeno. Estas estructuras en la etapa de carbonización inhibirán el crecimiento de grafito y el apilamiento de orientación, y formarán una gran cantidad de distribución aleatoria de grafito curvo, incluso a 2500 ℃ y temperaturas más altas, los materiales no formarán grafito, solo pueden formar un orden de corto alcance, largo -Desorden de rango de la estructura de microcristales de grafito, esta estructura obstaculiza el movimiento direccional del electrón, por lo que la conductividad del material de carbono duro es menor. En el proceso de compresión del material,³Y el carbono duro dentro de una gran cantidad de microagujeros, por debajo de 200 MP, la presión casi no se puede llenar por completo, por lo que la densidad de compactación del carbono duro es más baja que el grafito, pero el desorden del carbono duro es mayor, la microestructura del apilamiento de la capa de carbono y la interacción de enlaces cruzados, hacer que su elasticidad cambie mucho, por lo que el grosor del rebote de carbono duro después de la descarga de presión es mayor.

Fig. 5 Formación y microestructura de materiales de grafito, carbono duro y carbono blando²

Figura 6. Diagrama esquemático del análisis estructural de los materiales de carbono duro²

Resumir

En este documento, PRCD3100 probó la conductividad, la densidad de compactación y las propiedades de rebote del grafito y los polvos de carbón duro, y encontró que la conductividad eléctrica del grafito es mayor que la del carbón duro, y el rendimiento de compresión del nivel de partículas es mayor que el de carbón duro, que se relaciona principalmente con la microestructura de los dos materiales. Cuando ambos se utilizan en baterías de diferentes sistemas, además de la conductividad eléctrica y la compresibilidad, pero también para considerar su rendimiento de almacenamiento de sodio o almacenamiento de litio.

Documentación de referencia

1. Hu Yongsheng, Lu Jiaxiang, Chen Liquan, etc., Ciencia y tecnología de baterías de iones de sodio, Science Press, 2020, 134-137.

2. Lijing Xie, Cheng Tang, Zhihong Bi, et al. Ánodos de carbono duro para baterías de iones de litio de última generación: revisión y perspectiva. Adv. Energy Mater. 2021, 2101650.