Phân tích tính dẫn điện và tính chất nén của vật liệu carbon cứng và than chì

Phân tích tính dẫn điện và tính chất nén của vật liệu carbon cứng và than chì

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng mới, nhu cầu thị trường về pin lithium-ion cũng ngày càng tăng. Do hạn chế về nguồn nguyên liệu và vấn đề chi phí của pin lithium-ion, pin natri-ion đã dần thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Trong số đó, cực dương than chì được sử dụng phổ biến nhất trong pin lithium ion. Khi được sử dụng trong pin ion natri, vì lý do nhiệt động lực học, ion natri khó nhúng giữa các lớp than chì và không dễ tạo thành các hợp chất xen kẽ ổn định với carbon. Do đó, rất khó để pin natri ion sử dụng than chì làm vật liệu cực âm¹Và không có vật liệu carbon cứng định tính nào có hiệu suất lưu trữ natri rất tốt (dung lượng cụ thể là 300mAh / g) và tiềm năng lưu trữ natri thấp (điện áp nền khoảng 0,1V), là vật liệu catốt pin natri ion hứa hẹn nhất. Ngoài sự khác biệt nổi tiếng về cấu trúc, hình thái và đường cong điện hóa giữa vật liệu than chì và carbon cứng, độ dẫn điện, mật độ nén và đặc tính phục hồi của bột khác nhau như thế nào? Trong bài báo này, hai loại bột than chì và bột carbon cứng thường được sử dụng được lựa chọn để so sánh tính dẫn điện và mật độ nén và tính đàn hồi của hai loại vật liệu để hiểu sâu hơn về tính chất của hai loại vật liệu.

Hình 1. Sự khác biệt về cấu trúc của than chì, cacbon cứng và cacbon mềm²

1. Phương pháp kiểm tra

1.1 Thiết bị kiểm tra: PRCD3100 được sử dụng cho hai loại than chì và hai loại bột cacbon cứng. Thiết bị như trong Hình 2.

Hình 2. (a) Sơ đồ ngoại hình PRCD3100; (b) Sơ đồ cấu trúc PRCD3100

1.2 Thông số thử nghiệm: áp dụng dải áp suất 5-200MPa, với khoảng 20MPa và giữ áp suất trong 10 giây

2. Kết quả kiểm tra

Đường cong kiểm tra độ dẫn điện và mật độ nén của bốn vật liệu than chì và carbon cứng được thể hiện trong Hình 3. Từ các đường cong kết quả, mật độ dẫn điện và mật độ nén của hai vật liệu than chì lớn hơn đáng kể so với hai vật liệu carbon cứng. Các vật liệu than chì khác nhau cũng khác nhau về độ dẫn điện do mức độ graphit hóa hoặc hình thái cấu trúc của chúng.

Hình 3 Đường cong mật độ nén và độ dẫn điện của bốn vật liệu than chì và carbon cứng

Kiểm tra áp suất áp suất và giảm áp suất của bốn vật liệu, tải áp suất theo đường cong thay đổi áp suất như trong Hình 4 (a) và điều chỉnh sự thay đổi độ dày vật liệu tương ứng và đường cong phục hồi độ dày như trong Hình 4 (a) và B). Khi bốn loại bột có cùng chất lượng được lấy để thử nghiệm nén, giá trị độ dày tuyệt đối của vật liệu carbon cứng và sự thay đổi của độ phục hồi độ dày lớn hơn so với vật liệu than chì. Khi vật liệu than chì ở khoảng 50MPa, độ dày lượng phục hồi tương đối ổn định, trong khi khi vật liệu carbon cứng trên 50MPa, lượng phục hồi độ dày vẫn tăng dần. Sử dụng giảm áp suất tối đa, lấy đường cong ứng suất biến dạng của Hình 4 (d), bằng cách phân tích biến hình dạng tối đa,

Hình 4 Đường cong ứng suất và biến dạng của bốn vật liệu

Bảng 1. Tóm tắt Dữ liệu Thay đổi cho Bốn Vật liệu

Theo kết quả kiểm tra trên, độ dẫn điện của than chì tốt hơn carbon cứng và hiệu suất nén của lớp hạt tốt hơn carbon cứng. Lý do dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc giữa carbon cứng và than chì, được thể hiện trong Hình 5 và 6. Than chì là một cấu trúc lớp mỏng, mỗi lớp carbon thành cấu trúc lục giác phẳng, một nguyên tử carbon bao quanh ba liên kết đơn carbon-carbon và lớp ngoài nguyên tử carbon có bốn electron hóa trị, than chì mỗi nguyên tử carbon để lại một electron hóa trị không liên kết, giữa phiến bởi lực van der Waals. Khi được cung cấp năng lượng, các electron hóa trị không liên kết này sẽ chuyển động có hướng trong lớp để tạo thành dòng điện, do đó tính dẫn điện của than chì tốt hơn. Tuy nhiên, do sự tồn tại của liên kết ngang phân tử và liên kết cộng hóa trị COC trong tiền chất của chúng, vật liệu carbon cứng có nhiều khả năng hình thành cấu trúc liên kết ngang cứng nhắc trong quá trình nhiệt phân và tạo ra một số lượng lớn các khuyết tật, vi lỗ và các nhóm chức mang oxy. Các cấu trúc này trong giai đoạn cacbon hóa sẽ ức chế sự phát triển và xếp chồng định hướng của than chì, đồng thời tạo thành một số lượng lớn than chì cong phân bố ngẫu nhiên, ngay cả ở nhiệt độ 2500 ℃ trở lên, vật liệu sẽ không tạo thành than chì, chỉ có thể hình thành trật tự tầm ngắn, dài -Rối loạn phạm vi của cấu trúc vi tinh thể than chì, cấu trúc này cản trở chuyển động có hướng của điện tử, do đó độ dẫn điện của vật liệu carbon cứng thấp hơn. Trong quá trình nén vật liệu,³Và carbon cứng bên trong một số lượng lớn vi lỗ, dưới 200MP, áp suất gần như không thể được lấp đầy hoàn toàn, do đó mật độ nén carbon cứng thấp hơn than chì, nhưng độ rối loạn carbon cứng cao hơn, cấu trúc vi mô của lớp carbon và tương tác liên kết chéo, làm cho độ đàn hồi của nó thay đổi lớn, do đó độ dày của carbon cứng phục hồi sau khi xả áp suất lớn hơn.

Hình 5. Sự hình thành và vi cấu trúc của vật liệu than chì, cacbon cứng và cacbon mềm²

Hình 6. Sơ đồ phân tích cấu trúc của vật liệu carbon cứng²

Tổng hợp

Trong bài báo này, PRCD3100 đã kiểm tra độ dẫn điện, mật độ nén và đặc tính phục hồi của bột than chì và bột cacbon cứng, đồng thời nhận thấy rằng độ dẫn điện của than chì lớn hơn so với cacbon cứng và hiệu suất nén ở cấp độ hạt lớn hơn so với độ dẫn điện của than chì. carbon cứng, chủ yếu liên quan đến cấu trúc vi mô của hai vật liệu. Khi cả hai được sử dụng trong pin của các hệ thống khác nhau, ngoài tính dẫn điện và khả năng nén, mà còn xem xét hiệu suất lưu trữ natri hoặc lưu trữ lithium của chúng.

Tài liệu tham khảo

1. Hu Yongsheng, Lu Jiaxiang, Chen Liquan, v.v., Khoa học và Công nghệ Pin Natri Ion, Nhà xuất bản Khoa học, 2020, 134-137.

2. Lijing Xie, Cheng Tang, Zhihong Bi, và cộng sự. Cực dương carbon cứng cho pin Li-Ion thế hệ tiếp theo: Đánh giá và quan điểm. Adv. Energy Mater. 2021, 2101650.