Як графіт працює в літій-іонних акумуляторах?
Попит і виробництво графіту
У 2015 році ЗМІ прогнозували високий попит на графіт для задоволення потреб зростаючої популярності літій-іонних акумуляторів, що використовуються в електромобілях. Для великого акумулятора потрібно близько 25 кг графіту на анод. Хоча ціна та споживання на той час були низькими, з’явилися занепокоєння щодо дефіциту. Китай є основним виробником анодного матеріалу.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
Купити
Рисунок 1: Виробництво природного графіту (2023 р.)
Виробництво графіту анодного класу з чистотою 99,99% є дорогим і створює значні відходи. Кінцева вартість формується здебільшого за рахунок процесу очищення, а не самого матеріалу. Переробка старих акумуляторів не вирішує цієї проблеми через складність очищення.
Властивості графіту та його застосування
Вуглець і графіт – споріднені речовини. Графіт – це алотроп вуглецю, структурна модифікація, яка виникає внаслідок з'єднання елементів разом іншим чином. Графіт – найстабільніша форма вуглецю. Алмаз, метастабільний алотроп вуглецю, відомий своїми чудовими фізичними властивостями, менш стабільний, ніж графіт, проте графіт м'який і ковкий.
Графіт походить від грецького слова «графеїн». Він термостійкий, електро- та теплопровідний, хімічно пасивний (стійкий до корозії) та легший за алюміній. Окрім літій-іонних анодів, високоякісний графіт також використовується в паливних елементах, сонячних батареях, напівпровідниках, світлодіодах та ядерних реакторах.
Природний та синтетичний графіт
Вуглецеве волокно — це довга, тонка нитка діаметром приблизно 5–10 мкм, що становить одну десяту товщини людської волосини. Атоми вуглецю пов'язані між собою в мікроскопічні кристали та є надзвичайно міцними. Вони сплетені текстильним способом та змішані з полімерною матрицею, яка є загартованою формою вуглецевого волокна, такою ж міцною, як сталь, але легшою. Ці матеріали використовуються в ключках для гольфу та рамах велосипедів, а також у деталях кузова автомобілів та літаків для заміни алюмінію. Boeing 787 та Airbus 350X широко використовують вуглецеве волокно. Графіт для акумуляторів наразі становить лише 5 відсотків світового попиту.
Графіт буває двох видів: природний графіт із шахт та синтетичний графіт з нафтового коксу. Обидва типи використовуються для виготовлення літій-іонного анода, причому 55 відсотків тяжіють до синтетичного, а решта – до природного графіту.
Виробники віддавали перевагу синтетичному графіту через його кращу консистенцію та чистоту порівняно з натуральним графітом. Ситуація змінюється, і завдяки сучасним процесам хімічного очищення та термічної обробки натуральний графіт досягає чистоти 99,9 відсотка порівняно з 99,0 відсотками для синтетичного еквівалента.
Очищений природний лускатий графіт має вищу кристалічну структуру та пропонує кращу електро- та теплопровідність, ніж синтетичний матеріал. Перехід на природний графіт знизить виробничі витрати за такої ж або кращої продуктивності літій-іонних акумуляторів. Синтетичний графіт для літій-іонних акумуляторів продається приблизно за 10 000 доларів США за тонну, тоді як сферичний графіт, виготовлений з природних лускатих елементів, продається за 7 000 доларів США (ціни 2015 року).
Необроблений природний графіт набагато дешевший, і, окрім вартості, природний графіт є більш екологічним, ніж синтетичний; він також є основою для графену, мрії вченого. На кінець 2016 року природний графіт займав 60-65% ринку, синтетичний – близько 30%, а альтернативи, такі як титанат літію, кремній та олово, – близько 5%.
Дослідницька лабораторія повідомляє про покращення терміну служби за допомогою штучного графіту. Штучний графіт схожий на синтетичний графіт, але вартість та технологічність поки що невідомі. Результати випробувань, опубліковані у 2019 році, показують помітне покращення терміну служби, що є питанням, яке викликає великий інтерес для електромобілів.
Екологічні проблеми та очищення
Екологічні проблеми: Графітова промисловість перебуває під тиском щодо зниження рівня забруднення. Переробка природного лускатого графіту та синтетичного графіту може забруднювати повітря небезпечними частинками поблизу заводу. Зменшення кількості стічних вод, що утворюються в результаті переробки природного лускатого графіту на сферичний графіт як частину очищення, також викликає занепокоєння.
Сферичний графіт переважно очищується з лускатого графіту, що досягає чистоти 99,95%. Зі швидким зростанням попиту на літій-іонні акумулятори протягом наступного десятиліття виникають питання щодо здатності постачати достатню кількість сферичного графіту для задоволення попиту. Сферичний графіт коштує в 3-4 рази дорожче, ніж концентрат лускатого графіту малого та середнього розміру. Частина цієї вартості пов'язана з суворими екологічними вимогами, оскільки в процесі очищення використовуються сильні кислоти.
Ці графітові матеріали майже виключно використовуються для анодів у літій-іонних акумуляторах. Індія та Китай є великими виробниками графіту. З удосконаленням літій-іонних акумуляторів процеси стають складнішими, і це також передбачає захист навколишнього середовища.
Поточні процеси очищення в основному здійснюються в Китаї та вимагають великої кількості хімікатів, які негативно впливають на навколишнє середовище. У найближчому майбутньому очищення можна буде здійснювати за допомогою нових зелених технологій, таких як гідроенергетика.
Хоча докладаються зусилля для зменшення впливу на навколишнє середовище, постачання як природного, так і синтетичного графіту обмежене. Це стримування відображається на ціні на графітовий матеріал, яка почалася у 2017 році та, як очікується, збережеться до 2020 року, оскільки заводи модернізуються.
Графен – матеріал майбутнього
Графен — це алотроп вуглецю у формі двовимірної гексагональної решітки. Графен, представлений у вигляді шару чистого вуглецю, має товщину лише один атом. Він гнучкий, прозорий, непроникний для вологи, міцніший за алмази та більш провідний за золото. Експерти натякають на графен як на чудодійний матеріал, який покращить багато продуктів, зокрема акумулятори.
Кажуть, що графенові аноди краще утримують енергію, ніж графітові, і обіцяють час заряджання в десять разів швидший, ніж те, що зараз можливо з літій-іонними акумуляторами. Також має покращитися здатність до навантаження; ще один пункт у списку бажань, який потрібно довести, — це краща довговічність.
У традиційних графітових анодах іони літію накопичуються навколо зовнішньої поверхні анода. Графен має більш елегантне рішення, дозволяючи іонам літію проходити через крихітні отвори в графенових листах розміром 10–20 нм. Це обіцяє оптимальну площу зберігання та легке вилучення. За оцінками, такий акумулятор, коли стане доступним, зможе зберігати вдесятеро більше енергії, ніж літій-іонний зі звичайними графітовими анодами.
Подальші вдосконалення графену досягаються шляхом додавання оксиду ванадію до катода. Експериментальні батареї з таким покращенням, як кажуть, перезаряджаються за 20 секунд і зберігають 90 відсотків ємності після 1000 циклів. Графен також тестується в суперконденсаторах для покращення питомої щільності енергії, а також у сонячних елементах. На рисунку 1 ілюструється унікальна решітка графену, яку можна побачити за допомогою скануючої зондової мікроскопії (SPM).
Графен — це шар чистого вуглецю товщиною в один атом. Він гнучкий, прозорий, непроникний для вологи, міцніший за алмази та більш провідний за золото. Кожен атом вуглецю має три електрони, які зв'язуються з електроном найближчого сусіднього атома, створюючи хімічний зв'язок.
Вчені десятиліттями теоретизували про дива графену, але не існує жодних комерційних продуктів, які б використовували виключно цей очевидний диво-матеріал. Цілком ймовірно, що диво графену несвідомо використовувалося століттями в олівцях та інших виробах. Краще розуміння його механізму зрештою призведе до покращення продуктів.
Тим часом ми ставимося до численних чудових відкриттів, опублікованих науковими колами та фондовими промоутерами, з певною часткою скептицизму. Ми сприймемо супербатарею, коли вона з'явиться, але обіцяємо шанувати те, що маємо зараз, краще піклуючись про неї на робочому місці.
