Как графит работает в литий-ионных аккумуляторах?
Спрос и производство графита
В 2015 году СМИ прогнозировали высокий спрос на графит для удовлетворения потребностей растущей популярности литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях. Для большого аккумулятора требуется около 25 кг графита на анод. Хотя цена и потребление в то время были низкими, появились опасения по поводу дефицита. Китай является основным производителем анодного материала.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
Купить
Рисунок 1: Производство природного графита (2023 г.)
Производство графита анодного класса с чистотой 99,99% является дорогостоящим и создает значительные отходы. Конечная стоимость формируется в основном за счет процесса очистки, а не самого материала. Переработка старых аккумуляторов не решает этой проблемы из-за сложности очистки.
Свойства графита и его применение
Углерод и графит – родственные вещества. Графит – это аллотроп углерода, структурная модификация, которая возникает в результате соединения элементов вместе иным образом. Графит – самая стабильная форма углерода. Алмаз, метастабильный аллотроп углерода, известный своими превосходными физическими свойствами, менее стабилен, чем графит, однако графит мягок и ковок.
Графит происходит от греческого слова «графеин». Он термостойкий, электро- и теплопроводный, химически пассивен (устойчив к коррозии) и легче алюминия. Кроме литий-ионных анодов, высококачественный графит также используется в топливных элементах, солнечных батареях, полупроводниках, светодиодах и ядерных реакторах.
Природный и синтетический графит
Углеродное волокно — это длинная, тонкая нить диаметром примерно 5–10 мкм, что составляет одну десятую толщины человеческого волоса. Атомы углерода связаны между собой в микроскопические кристаллы и являются чрезвычайно прочными. Они сплетены текстильным способом и смешаны с полимерной матрицей, которая является закаленной формой углеродного волокна, такой же прочной, как сталь, но легче. Эти материалы используются в клюшках для гольфа и рамах велосипедов, а также в деталях кузова автомобилей и самолетов для замены алюминия. Boeing 787 и Airbus 350X широко используют углеродное волокно. Графит для аккумуляторов в настоящее время составляет всего 5 процентов мирового спроса.
Графит бывает двух видов: природный графит из шахт и синтетический графит из нефтяного кокса. Оба типа используются для изготовления литий-ионного анода, причем 55 процентов тяготеют к синтетическому, а остальные – к природному графиту.
Производители отдавали предпочтение синтетическому графиту из-за его лучшей консистенции и чистоты по сравнению с натуральным графитом. Ситуация меняется, и благодаря современным процессам химической очистки и термической обработки натуральный графит достигает чистоты 99,9 процента по сравнению с 99,0 процентами для синтетического эквивалента.
Очищенный природный чешуйчатый графит имеет более высокую кристаллическую структуру и предлагает лучшую электро- и теплопроводность, чем синтетический материал. Переход на природный графит снизит производственные затраты при такой же или лучшей производительности литий-ионных аккумуляторов. Синтетический графит для литий-ионных аккумуляторов продается примерно за 10 000 долларов США за тонну, тогда как сферический графит, изготовленный из природных чешуйчатых элементов, продается за 7 000 долларов США (цены 2015 года).
Необработанный природный графит намного дешевле, и, кроме стоимости, природный графит является более экологичным, чем синтетический; он также является основой для графена, мечты ученого. На конец 2016 года природный графит занимал 60-65% рынка, синтетический – около 30%, а альтернативы, такие как титанат лития, кремний и олово, – около 5%.
Исследовательская лаборатория сообщает об улучшении срока службы с помощью искусственного графита. Искусственный графит похож на синтетический графит, но стоимость и технологичность пока неизвестны. Результаты испытаний, опубликованные в 2019 году, показывают заметное улучшение срока службы, что является вопросом, который вызывает большой интерес для электромобилей.
Экологические проблемы и очистка
Экологические проблемы: Графитовая промышленность находится под давлением по снижению уровня загрязнения. Переработка природного чешуйчатого графита и синтетического графита может загрязнять воздух опасными частицами вблизи завода. Уменьшение количества сточных вод, образующихся в результате переработки природного чешуйчатого графита в сферический графит как часть очистки, также вызывает беспокойство.
Сферический графит преимущественно очищается из чешуйчатого графита, достигая чистоты 99,95%. С быстрым ростом спроса на литий-ионные аккумуляторы в течение следующего десятилетия возникают вопросы о способности поставлять достаточное количество сферического графита для удовлетворения спроса. Сферический графит стоит в 3-4 раза дороже, чем концентрат чешуйчатого графита малого и среднего размера. Часть этой стоимости связана со строгими экологическими требованиями, поскольку в процессе очистки используются сильные кислоты.
Эти графитовые материалы почти исключительно используются для анодов в литий-ионных аккумуляторах. Индия и Китай являются крупными производителями графита. С усовершенствованием литий-ионных аккумуляторов процессы становятся сложнее, и это также предполагает защиту окружающей среды.
Текущие процессы очистки в основном осуществляются в Китае и требуют большого количества химикатов, которые негативно влияют на окружающую среду. В ближайшем будущем очистку можно будет осуществлять с помощью новых зеленых технологий, таких как гидроэнергетика.
Хотя прилагаются усилия для уменьшения воздействия на окружающую среду, поставки как природного, так и синтетического графита ограничены. Это сдерживание отражается на цене на графитовый материал, которая начала расти в 2017 году и, как ожидается, сохранится до 2020 года, поскольку заводы модернизируются.
Графен – материал будущего
Графен — это аллотроп углерода в форме двумерной гексагональной решетки. Графен, представленный в виде слоя чистого углерода, имеет толщину всего в один атом. Он гибкий, прозрачный, непроницаем для влаги, прочнее алмаза и обладает большей проводимостью, чем золото. Эксперты намекают на графен как на чудо-материал, который улучшит многие продукты, в том числе аккумуляторы.
Говорят, что графеновые аноды лучше удерживают энергию, чем графитовые, и обещают время зарядки в десять раз быстрее, чем то, что сейчас возможно с литий-ионными аккумуляторами. Также должна улучшиться нагрузочная способность; еще один пункт в списке желаний, который нужно доказать, — это лучшая долговечность.
В традиционных графитовых анодах ионы лития накапливаются вокруг внешней поверхности анода. Графен предлагает более элегантное решение, позволяя ионам лития проходить через крошечные отверстия в графеновых листах размером 10–20 нм. Это обещает оптимальную площадь хранения и легкое извлечение. По оценкам, такой аккумулятор, когда станет доступным, сможет хранить в десять раз больше энергии, чем литий-ионный с обычными графитовыми анодами.
Дальнейшие усовершенствования графена достигаются путем добавления оксида ванадия в катод. Экспериментальные батареи с таким улучшением, как говорят, перезаряжаются за 20 секунд и сохраняют 90 процентов емкости после 1000 циклов. Графен также тестируется в суперконденсаторах для улучшения удельной плотности энергии, а также в солнечных элементах. На рисунке 1 иллюстрируется уникальная решетка графена, которую можно увидеть с помощью сканирующей зондовой микроскопии (SPM).
Графен — это слой чистого углерода толщиной в один атом. Он гибкий, прозрачный, непроницаем для влаги, прочнее алмаза и обладает большей проводимостью, чем золото. Каждый атом углерода имеет три электрона, которые связываются с электроном ближайшего соседнего атома, создавая химическую связь.
Ученые десятилетиями теоретизировали о чудесах графена, но не существует никаких коммерческих продуктов, которые бы использовали исключительно этот очевидный чудо-материал. Вполне вероятно, что чудо графена неосознанно использовалось веками в карандашах и других изделиях. Лучшее понимание его механизма в конечном итоге приведет к улучшению продуктов.
Тем временем мы относимся к многочисленным чудесным открытиям, опубликованным научными кругами и фондовыми промоутерами, с определенной долей скептицизма. Мы примем супербатарею, когда она появится, но обещаем ценить то, что имеем сейчас, лучше заботясь о ней на рабочем месте.
