ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ГЕТЕРОФАЗНОГО ПИРООСАЖДЕНИЯ НА МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГРАФИТ
Аннотация
Интенсивное развитие электротранспорта и портативной электроники существенно активизировали исследования в области химических источников тока, в частности, литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и их составных компонентов, таких как электроды. В работе рассматривается использование термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии в окислительной атмосфере для количественного определения содержания пиролитического углерода в продуктах гетерофазного пироосаждения из толуол-аргоновой смеси на сферолизованный графит, который широко используется в качестве активного материала анодов ЛИА. Показано, что использование удвоенной потери массы при температуре максимальной скорости сгорания пиролитического углерода позволяет при скорости нагревания 10 °С/мин определять содержание пироуглерода в диапазоне от 8 до 23 мас.% с точностью не менее 10%. В качестве максимальной скорости сгорания пиролитического углерода могут быть выбраны локальные экстремумы либо на кривых дифференциального термогравиметрического анализа, либо на кривых дифференциальной сканирующей калориметрии. Установлено, что дальнейшее повышение точности определения содержания пироуглерода может быть достигнуто путём уменьшения скорости нагревания, которое, однако, приводит к увеличению длительности измерений. Использование скоростей нагревания выше 10 °С/мин может приводить к существенному перекрыванию процессов термоокислительной деструкции пиролитического углерода и сферолизованного графита, что приводит к повышению ошибки и возникновению трудностей при определении максимальной скорости сгорания пироуглерода. Отмечается, что данный подход может приводить к большим ошибкам для покрытий из пиролитического углерода, по свойствам близких к свойствам исходного сферолизованного графита.
Для цитирования:
Хасков М.А., Наумова В.А., Караева А.Р., Мордкович В.З. Использование термического анализа для исследования продуктов гетерофазного пироосаждения на модифицированный природный графит. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 6-15. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.14y.
Литература
Daya A., Paul S. Review on Li-Ion Based Battery Chemistry: Challenges and Opportunities. Sathiyan 2022 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2022. V. 1258. 012041. DOI: 10.1088/1757-899X/1258/1/012041.
Zhang H., Yang Y., Ren D., Wang L., He X. Graphite as anode materials: Fundamental mechanism, recent progress and advances. Energy Stor. Mater. 2021. V. 36. P. 147-170. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.12.027.
Fischer S., Doose S., Müller J., Höfels C., Kwade A. Im-pact of Spheroidization of Natural Graphite on Fast-Charging Capability of Anodes for LIB. Batteries. 2023. V. 9. 305. DOI: 10.3390/batteries9060305.
Khaskov M.A., Arkhangelskiy I.V., Avdeev V.V. The investigation of the temperature dependence of the specific heat capacity of graphite intercalation compounds with lithium. Ros. Khim. Zhurn. 2006. V. 50. N 1. P. 110-113 (in Russian).
Mukhan O., Yun J.-S., Munakata H., Kanamura K., Kim S.-S. Quantification of the Carbon-Coating Effect on the Interfacial Behavior of Graphite Single Particles. ACS Omega. 2024. V. 9. P. 4004–4012. DOI: 10.1021/acsomega.3c08681.
Biber B., Sander S., Martin J. Wohlfahrt-Mehrens M., Mancini M. Improved production process with new spheroidization machine with high efficiency and low energy consumption for rounding natural graphite for Li-ion battery applications. Carbon. 2023. V. 201. P. 847-855. DOI: 10.1016/j.carbon.2022.09.073.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitsky I.A. Study of the process of obtaining a composite material "Spherical graphite – Fe2O3”. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 3. P. 127-134 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246703.7041.
An S.J., Li J., Daniel C., Mohanty D., Nagpure S., Wood D.L. The state of understanding of the lithium-ion-battery graphite solid electrolyte interphase (SEI) and its relationship to formation cycling. Carbon. 2016. V. 105. P. 52–76. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.04.008.
Carter R., Parker J.F., Sassin M.B., Klein E.J., Wolak M.A., Love C.T., Long J.W. Initiated Chemical Vapor Deposition of Ultrathin Polymer Coatings at Graphite Elec-trodes for Enhanced Performance in Li-Ion Batteries. J. Electrochem. Soc. 2020. V. 167. 060510. DOI: 10.1149/1945-7111/ab7f22.
Wu N.-L., Weng Y.-T., Li F.-S., Yang N.-H., Kuo C.-L., Li D.-S. Polymeric artificial solid/electrolyte interphases for Li-ion batteries. Prog. Nat. Sci. 2015. V. 25. N 6. P. 563–571. DOI: 10.1016/j.pnsc.2015.11.009.
Sharova V., Moretti A., Giffin G., Carvalho D., Passerini S. Evaluation of Carbon-Coated Graphite as a Negative Electrode Material for Li-Ion Batteries. C. J. Carbon Res.. 2017. V. 3. 22. DOI: 10.3390/c3030022.
Ding Y.-S., Li W.-N., Iaconetti S., Shen X.-F., DiCarlo J., Galasso F.S., Suib S.L. Characteristics of graphite anode modified by CVD carbon coating. Surf. Coat. Technol. 2006. V. 200. P. 3041–3048. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.05.040.
Kim B.-R., Kim J.-H., Im, J.-S. Effect and Mechanism of Pitch Coating on the Rate Performance Improvement of Lithium-Ion Batteries. Materials. 2022. V. 15. 4713. DOI: 10.3390/ma15134713.
Wang H., Fukuda K., Yoshio M., Abe T., Ogumi Z. Measurement of Carbon Amount in Carbon-coated Graphite by Thermal Analysis. Chem. Lett. 2002. V. 31. P. 238–239. DOI: 10.1246/cl.2002.238.
Hoshi K., Ohta N., Nagaoka K., Bitoh S., Yamanaka A., Nozaki H., Inagaki M. Production and advantages of carbon-coated graphite for the anode of lithium ion rechargeable batteries. Carbon. 2010. V. 48. P. 1322. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.003.
Wu Y.-S., Wang Y.-H., Lee Y.-H. Performance enhancement of spherical natural graphite by phenol resin in lithium ion batteries. J. Alloys Compd. 2006. V. 426. P. 218–222. DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.11.093.
Kim I.-T. Capacity Improvement of Tin-Deposited on Car-bon-Coated Graphite Anode for Rechargeable Lithium Ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci. 2016. V. 11. P. 5807–5818. DOI: 10.20964/2016.07.15.
Cebulak S., Smieja-Król B., Duber S., Misz M., Morawski A.W. Oxyreactive thermal analysis. J. Therm. Anal. Calorim. 2004. V. 77. P. 201–206. DOI: 10.1023/ B:JTAN.0000033204.53768.bb.
Khaskov M.A., Karaerva A.R., Denisov V.N., Kul’nitskiy B.A., Mordkovich V.Z. Physical chemical properties of fiberous composite based on carbon nanotubes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 7. P. 76-79 (in Russian).
Khaskov M.A. Study of the open porosity of carbon materials using thermoporometry. Zavodskaya laboratoriya. Diagn. Mater. 2020. V. 86. P. 28-35 (in Russian). DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-11-28-35.
Khaskov M.A., Shestakov A.M., Sorokin O.Yu., Zelenina I.V. Synthesis of carbon matrix with tunable carbide formation ability for reactive infiltration techniques. Ceram. Int. 2020. V. 46. P. 21632-21637. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.05.269.
Osswald S., Yushin G., Mochalin V., Kucheyev S. O., Gogotsi Y. Control of sp2/sp3 Carbon Ratio and Surface Chemistry of Nanodiamond Powders by Selective Oxidation in Air. J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. P. 11635–11642. DOI: 10.1021/ja063303n.
Li Z., Deng L., Kinloch I.A., Young R.J. Raman spectroscopy of carbon materials and their composites: Graphene, nanotubes and fibres. Prog. Mater. Sci. 2023. V. 135. 101089. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2023.101089.
Ruggeri I., Martin J., Wohlfahrt-Mehrens M., Mancini M. Interfacial kinetics and low-temperature behavior of spheroidized natural graphite particles as anode for Li-ion batteries. J. Solid State Electrochem. 2021. V. 26. P. 73–83. DOI: 10.1007/s10008-021-04974-2.
Kaplas T., Svirko Y. Direct deposition of semitransparent conducting pyrolytic carbon films. J. Nanophotonics. 2012. V. 6. 061703. DOI: 10.1117/1.JNP.6.061703.
Khaskov M.A. Thermoporometry and oxyreactive thermal analysis for study of carbon matrices. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 24-31 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.1y.
Picheau E., Amar S., Derré A., Pénicaud A., Hof F. An Introduction to the Combustion of Carbon Materials. Chem. Eur. J. 2022. V. 28. e202200117. DOI: 10.1002/ chem.202200117.
Mordkovich V.Z., Khaskov M.A., De V.V., Naumova V.A., Karaeva A.R. Thermo-oxidative degradation of car-bon nanotubes and related nanostructures: role of acidic environment and chloride ions. Fuller. Nanotub. Carbon Nanostruct. 2024. 32(7). P. 676–683. DOI: 10.1080/1536383X.2024.2320800.
Lu W., Li X., Wu X., Sun L., Li Z. Investigation on the oxidation behavior and multistep reaction mechanism of nu-clear graphite SNG742. J. Nucl. Sci. Technol. 2019. V. 57. N 3. P. 1–13. DOI: 10.1080/00223131.2019.1671910.
Khaskov M.A., Leonov A.A., Trofimov N.V., Duyunova V.A. Choice of Conditions for Drying Fluxes for Magnesi-um Alloys Based on Thermal Analysis Data. Theor. Found. Chem. Eng. 2023. V. 57. P. 653–659. DOI: 10.1134/S0040579523040164.
Menczel J.D., Prime R.B. Thermal analysis of polymers: fundamentals and applications. John Wiley & Sons. 2009. 688 p. DOI: 10.1002/9780470423837.
