ハードカーボンおよびグラファイト材料の導電率と圧縮特性の解析
ハードカーボンおよびグラファイト材料の導電率と圧縮特性の解析
新エネルギー産業の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池の市場需要も増加しています。リチウムイオン電池の原料資源の限界とコストの問題により、ナトリウムイオン電池は徐々に多くの研究者の注目を集めています。中でも、リチウムイオン電池で最もよく使用される黒鉛負極。ナトリウムイオン電池で使用する場合、熱力学的理由により、ナトリウムイオンをグラファイト層の間に埋め込むのが難しく、炭素と安定した層間化合物を形成するのは容易ではありません。そのため、ナトリウムイオン電池では黒鉛を正極材料として使用することが困難です。1また、非常に優れたナトリウム貯蔵性能（比容量 300mAh / g）と低いナトリウム貯蔵電位（プラットフォーム電圧は約 0.1V）を備えた定性的なハードカーボン材料はなく、最も有望なナトリウムイオン電池の正極材料です。グラファイト材料とハードカーボン材料の構造、形態、電気化学曲線のよく知られた違いに加えて、粉末の導電率、圧縮密度、反発特性はどのように異なるのでしょうか? この論文では、2 つの材料の特性をより深く理解するために、2 種類の材料の導電率、圧縮密度、反発特性を比較するために、一般的に使用される 2 つのグラファイトおよびハードカーボン粉末を選択しました。
図 1. グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボンの構造の違い2
1. 試験方法
1.1 試験装置: PRCD3100 は 2 種類の黒鉛と 2 種類の硬質炭素粉末に使用されます。装置は図2のとおりです。
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図 2. (a) PRCD3100 の外観図。(b) PRCD3100の構造図
1.2 試験パラメータ: 5 ～ 200MPa の圧力範囲を 20MPa 間隔で適用し、圧力を 10 秒間保持します。
2. 試験結果
4 つのグラファイト材料とハードカーボン材料の導電率と圧縮密度の試験曲線を図 3 に示します。結果の曲線から、2 つのグラファイト材料の導電率と圧縮密度は 2 つのハードカーボン材料よりも大幅に大きいことがわかります。黒鉛材料が異なれば、黒鉛化度や構造形態により導電性も異なります。
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図 3 4 つのグラファイトおよびハードカーボン材料の電気伝導率と圧縮密度曲線
4 つの材料の圧力と圧力解放をテストし、図 4 (a) に示す圧力変化曲線に従って圧力を負荷し、図 4 (a) に示す対応する材料の厚さの変化と厚さの反発曲線を調整します。および(b)。4つの同じ品質の粉末を圧縮試験に使用した場合、硬質炭素材料の厚さの絶対値と厚さの反発の変化は黒鉛材料のそれよりも大きくなります。黒鉛材料が約50MPaの場合、厚さは硬質炭素材料の厚さの変化よりも大きくなります。反発量は比較的安定していますが、ハードカーボン材料が50MPaを超えると、厚みのある反発量は徐々に増加します。最大圧力解放を使用して、最大形状変数を分析することにより、図 4 (d) の応力ひずみ曲線を取得します。
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図 4 4 つの材料の応力およびひずみ曲線
表 1. 4 つの材料の変数データの概要
上記の試験結果によると、グラファイトの導電性はハードカーボンよりも優れており、粒子層の圧縮性能はハードカーボンよりも優れています。ハードカーボンとグラファイトの構造の違いの理由を図5と図5に示します。 6.グラファイトはラメ層構造であり、炭素の各層は平面六角形構造であり、3つの炭素-炭素単結合の周りに炭素原子があり、炭素原子の外層には4つの価電子があり、グラファイトの各炭素原子は結合していない価電子を残し、間にファンデルワールス力によるラミナ。エネルギーが与えられると、これらの結合していない価電子が層内を方向に移動して電流を形成するため、グラファイトの導電性が向上します。しかし、前駆体には分子架橋と COC 共有結合が存在するため、ハードカーボン材料は熱分解の過程で強固な架橋構造を形成しやすく、多数の欠陥、微細孔、酸素含有官能基が生成されます。炭化段階でのこれらの構造は、黒鉛の成長と配向の積層を阻害し、湾曲した黒鉛のランダムな分布を多数形成します。2500℃以上の温度でも、材料は黒鉛を形成せず、短距離の秩序、長い秩序のみを形成できます。グラファイト微結晶構造の範囲の乱れ、この構造は電子の方向性の移動を妨げるため、ハードカーボン材料の導電性は低くなります。材料の圧縮過程で、3そして、多数の微細孔内のハードカーボンは、200MP以下の圧力ではほとんど完全に充填することができないため、ハードカーボンの圧縮密度はグラファイトよりも低いですが、ハードカーボンの無秩序性は高く、カーボン層の積層と架橋相互作用の微細構造、弾性を大きく変える必要があるため、圧力放出後のハードカーボンの反発の厚さが大きくなります。
図5 グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン材料の形成と微細構造2
図6. ハードカーボン材料の構造解析の模式図2
まとめ
この論文では、PRCD3100 はグラファイトおよびハードカーボン粉末の導電率、圧縮密度、反発特性をテストし、グラファイトの導電率はハードカーボンの導電率よりも大きく、粒子レベルの圧縮性能はハードカーボンのそれよりも優れていることがわかりました。ハードカーボン、これは主に 2 つの材料の微細構造に関係します。両方を異なるシステムのバッテリーで使用する場合は、導電性と圧縮性に加えて、ナトリウム貯蔵またはリチウム貯蔵性能も考慮する必要があります。
参考資料
1. 胡 永盛 、ルー 吉祥 、チェン リクアン 他、ナトリウム イオン電池の科学技術、サイエンス プレス、2020、134-137。
2. 麗京 謝 、チェン トング 、志紅 ビ 、他、次世代リチウムイオン電池用ハードカーボンアノード: レビューと展望、上級 . エネルギー メーター 、2021、2101650。