Ein Team chinesischer Forscher hat systematisch die wahre Reversibilität von Hartkohlenstoffanoden unter 0V erforscht, um die Lithiationsgrenzparameter zu identifizieren, die die reversible Kapazität von Hartkohlenstoffanoden steuern. Die Lithiumspeicherkapazität von Hartkohlenstoff wurde fast verdoppelt. Gleichzeitig wurde der Lithiumspeichermechanismus von Hartkohlenstoffen aufgedeckt. Diese Arbeit ermöglicht Einblicke in die potenzielle Niedervoltleistung von Hartkohlenstoffen in Lithium-Ionen-Batterien.
Das Team chinesischer Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften veröffentlichte ihre Arbeit am 17. März 2023 in der Zeitschrift Particuology mit dem Titel „Utilizing the capacity below 0V to maximize lithium storage of hard carbon anodes“.
Hartkohlenstoffe (HCs) haben sich als vielversprechende Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien herausgestellt aufgrund ihres niedrigen Redoxpotentials und ihrer hohen reversiblen Kapazität. HCs bestehen aus reichlich zufällig orientierten Graphennanosheets, die durch das „Kartenhaus“-Modell beschrieben werden.
Eine solche Nanoarchitektur verleiht HCs große Zwischenschichtabstände (0,37-0,4 nm) und reichlich amorphe Mikrostrukturen (Defekte, kurzreichweitige mikrokristalline Strukturen und eine reiche Porenstruktur), was dazu führt, dass mehr als die Hälfte der Gesamtkapazität von HC aus dem Plateaubereich (unter 0V) stammt. Die Nutzung der Platokapazität von HC verbessert tatsächlich die Betriebsspannung sowie die Energiedichte bei Kopplung mit Kathoden. Bisher haben sich jedoch aufgrund der Erfahrungen mit der Graphit-Anode beträchtliche Berichte über HCs hauptsächlich auf die Lithiumspeicherkapazität über 0V konzentriert.
Um die Lithiumspeicherkapazität von HC unter 0V effektiv zu nutzen, untersuchte das Forschungsteam folgende Fragen: 1) Wie viel Kapazität ist für den Langzeitzyklus haltbar, 2) Was ist die kinetische Leistung dieses Teils der Kapazität, 3) Was ist der Lithiumspeichermechanismus von Hartkohlenstoff?
Als nächstes wurde mit den kommerziellen HC als Anoden die Grenze der reversiblen Lithiumspeicherkapazität von Hartkohlenstoffen systematisch untersucht. Die Zellen werden auf eine Reihe von Tiefen lithiiert (V-0, C-400, C-500 und C-600). V-0 zeigt eine Kapazität von 209 mAh g-1 und die Spannung von C-400, C-500, C-600 beträgt -0,028, -0,032 bzw. -0,038 V.
Das Team beobachtete die Oberflächenmorphologie der Elektroden bei verschiedenen Lithiierungstiefen. Auf der Oberfläche von hohen Lithiierungstiefen (C-500 und C-600) bildeten sich eine große Anzahl von Lithiumdendriten. Keine Dendriten wurden auf der Oberfläche von V-0 und C-400 gefunden.
Das Forschungsteam testete schließlich die Rate (25, 50 und 100 mA g-1) und die Zyklusleistung von Hartkohlenstoffen bei verschiedenen Lithiierungstiefen. Die Ergebnisse zeigen, dass C-400 bei 50 mA g-1 einen hohen durchschnittlichen Wirkungsgrad von über 99,5% aufweist und nach 172 Zyklen mit einer Kapazität von 80% betrieben wird. Im Vergleich zur Entladung auf 0V bietet C-400 fast eine doppelt reversible Kapazität. C-500 und C-600 waren jedoch aufgrund von Lithiumdendriten während der Zyklen anfällig für Versagen aufgrund von erhöhter Zellpolarisation.
Das Forschungsteam analysierte schließlich das Lithiumspeicherverhalten von Hartkohlenstoff unter 0V. Die Ergebnisse der Charakteris
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