Analyse de la conductivité électrique et des propriétés de compression des matériaux en carbone dur et en graphite

Analyse de la conductivité électrique et des propriétés de compression des matériaux en carbone dur et en graphite

Avec le développement rapide de la nouvelle industrie de l'énergie, la demande du marché pour les batteries lithium-ion augmente également. En raison des ressources limitées en matières premières et des problèmes de coût des batteries lithium-ion, les batteries sodium-ion ont progressivement attiré l'attention de nombreux chercheurs. Parmi eux, l'anode en graphite la plus couramment utilisée dans les batteries lithium-ion. Lorsqu'il est utilisé dans des batteries à ions sodium, pour des raisons thermodynamiques, l'ion sodium est difficile à incorporer entre les couches de graphite et il n'est pas facile de former des composés d'intercalation stables avec du carbone. Par conséquent, il est difficile pour les batteries sodium-ion d'utiliser du graphite comme matériau de cathode¹Et aucun matériau en carbone dur qualitatif n'a une très bonne performance de stockage de sodium (capacité spécifique de 300 mAh/g) et un faible potentiel de stockage de sodium (la tension de la plate-forme est d'environ 0,1 V), est le matériau de cathode de batterie aux ions sodium le plus prometteur. Outre les différences bien connues de structure, de morphologie et de courbes électrochimiques entre le graphite et les matériaux à base de carbone dur, quelle est la différence entre la conductivité, la densité de compactage et les propriétés de rebond des poudres ? Dans cet article, deux poudres de graphite et de carbone dur couramment utilisées sont sélectionnées pour comparer la conductivité électrique et la densité de compactage et les propriétés de rebond des deux types de matériaux afin de mieux comprendre les propriétés des deux matériaux.

Figure 1. Différences structurelles entre le graphite, le carbone dur et le carbone mou²

1. Méthode d'essai

1.1 Équipement de test : PRCD3100 est utilisé pour deux types de graphite et deux types de poudre de carbone dur. L'équipement est tel qu'illustré à la figure 2.

Figure 2. (a) Diagramme d'apparence du PRCD3100 ; (b) Schéma de structure du PRCD3100

1.2 Paramètres de test : appliquez une plage de pression de 5 à 200 MPa, avec un intervalle de 20 MPa, et maintenez la pression pendant 10 s

2. Résultats des tests

Les courbes d'essai de conductivité et de densité de compactage des quatre matériaux en graphite et en carbone dur sont présentées à la figure 3. D'après les courbes de résultats, la conductivité et la densité de compactage des deux matériaux en graphite sont nettement supérieures à celles des deux matériaux en carbone dur. Différents matériaux en graphite diffèrent également par leur conductivité en raison de leur degré de graphitisation ou de leur morphologie structurelle.

Figure 3 Courbes de conductivité électrique et de densité de compactage des quatre matériaux graphite et carbone dur

Testez la pression de pression et la décompression des quatre matériaux, chargez la pression en fonction de la courbe de changement de pression comme indiqué sur la figure 4 (a), et ajustez le changement d'épaisseur de matériau correspondant et la courbe de rebond d'épaisseur comme indiqué sur la figure 4 (a) et B). Lorsque quatre poudres de la même qualité sont prises pour le test de compression, la valeur d'épaisseur absolue du matériau en carbone dur et le changement de rebond d'épaisseur sont supérieurs à ceux du matériau en graphite. Lorsque le matériau en graphite est à environ 50 MPa, l'épaisseur la quantité de rebond est relativement stable, tandis que lorsque le matériau en carbone dur est supérieur à 50 MPa, la quantité de rebond d'épaisseur augmente toujours progressivement. En utilisant la décharge de pression maximale, obtenez la courbe de contrainte-déformation de la figure 4 (d), en analysant la variable de forme maximale,

Figure 4 Courbes de contrainte et de déformation des quatre matériaux

Tableau 1. Résumé des données variables pour les quatre matériaux

Selon les résultats des tests ci-dessus, la conductivité électrique du graphite est meilleure que celle du carbone dur et les performances de compression de la couche de particules sont meilleures que celles du carbone dur. Les raisons des différences structurelles entre le carbone dur et le graphite sont illustrées aux figures 5 et 6.Le graphite est une structure lamelayer, chaque couche de carbone dans une structure hexagonale plane, un atome de carbone autour de trois liaisons simples carbone-carbone, et la couche externe d'atomes de carbone a quatre électrons de valence, le graphite chaque atome de carbone a laissé un électron de valence non lié, entre la lame par les forces de van der Waals. Lorsqu'ils sont excités, ces électrons de valence non liés se déplacent dans la direction dans la couche pour former un courant de courant, de sorte que la conductivité électrique du graphite est meilleure. Cependant, en raison de l'existence d'une réticulation moléculaire et de liaisons covalentes COC dans leur précurseur, les matériaux carbonés durs sont plus susceptibles de former une structure de réticulation rigide dans le processus de pyrolyse et de produire un grand nombre de défauts, de micropores et de groupes fonctionnels porteurs d'oxygène. Ces structures au stade de la carbonisation inhiberont la croissance et l'orientation du graphite, et formeront un grand nombre de distributions aléatoires de graphite incurvé, même à 2500 ℃ et une température plus élevée, les matériaux ne formeront pas de graphite, ne peuvent former qu'un ordre à courte portée, long -Désordre de gamme de la structure du microcristal de graphite, cette structure a entravé le mouvement directionnel de l'électron, de sorte que la conductivité du matériau en carbone dur est inférieure. Dans le processus de compression du matériau,³Et le carbone dur à l'intérieur d'un grand nombre de microtrous, sous 200 MP, une pression ne peut presque pas être remplie complètement, de sorte que la densité de compactage du carbone dur est inférieure à celle du graphite, mais le désordre du carbone dur est plus élevé, la microstructure de l'empilement de la couche de carbone et l'interaction réticulée, faire en sorte que son élasticité change beaucoup, de sorte que l'épaisseur du rebond du carbone dur après la décharge de pression est plus grande.

Fig. 5 Formation et microstructure du graphite, des matériaux en carbone dur et en carbone mou²

Figure 6. Schéma de principe de l'analyse structurale des matériaux en carbone dur²

Résumer

Dans cet article, PRCD3100 a testé la conductivité, la densité de compactage et les propriétés de rebond des poudres de graphite et de carbone dur, et a constaté que la conductivité électrique du graphite est supérieure à celle du carbone dur et que les performances de compression du niveau des particules sont supérieures à celles de le carbone dur, qui est principalement lié à la microstructure des deux matériaux. Lorsque les deux sont utilisés dans des batteries de systèmes différents, en plus de la conductivité électrique et de la compressibilité, mais aussi pour tenir compte de leurs performances de stockage de sodium ou de stockage de lithium.

Documents de référence

1. Hu Yongsheng, Lu Jiaxiang, Chen Liquan, etc., Science et technologie des batteries à ions sodium, Science Press, 2020, 134-137.

2. Lijing Xie, Cheng Tang, Zhihong Bi, et al. Hard Carbon Anodes for Next-Generation Li-Ion Batteries: Review and Perspective. Adv. Energy Mater. 2021, 2101650.