ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ПОВЕРХНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПРИРОДНОГО ГРАФИТА
Аннотация
Одним из самых востребованных технологий хранения электрической энергии в настоящее время остаются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), в которых в качестве активного материала анодов могут выступать различные углеродные материалы, в частности, природный графит, характеризующийся устойчивыми электрохимическими характеристиками при многократном циклировании процессов зарядки/разрядки. В работе рассматривается использование газовой хроматографии для оптимизации условий пироосаждения углеводородов на модифицированный (сферолизованный) природный графит, которое проводится для существенного улучшения кулоновской эффективности данных углеродных материалов при использовании их в ЛИА. Показано, что анализ выделяемых из реактора пиролиза газов методом газовой хроматографии позволяет подобрать углеродсодержащие прекурсоры и условия их пиролитического гетерофазного разложения для формирования равномерной пленки пиролитического углерода на поверхности модифицированного (сферолизованного) природного графита. Использование газовой хроматографии при анализе выделяемых газов позволяет также минимизировать процессы гомофазного пиролитического разложения углеродсодержащего прекурсора, приводящие к образованию обособленных углеродных фаз, которые могут характеризоваться крайне низкими значениями обратимой емкости по литию. Анализ соотношений концентраций продуктов в процессе пиролиза позволяет сделать вывод о неизменности механизма пироосаждения в процессе всей длительности процесса. Показано, что профиль изменения содержания водорода в газовой смеси, исходящей из реактора пиролитического разложения углеродсодержащих прекурсоров, коррелирует с тенденцией изменения удельной поверхности образцов сферолизованного графита. Полученные результаты позволяют предположить, что в случае неизменности механизма пиролитического разложения углеродсодержащего прекурсора, его неизменяющейся концентрации и гетерофазной природы пироразложения, анализ профиля изменения содержания водорода в исходящих из реактора может быть использован для выбора оптимальных условий пироосаждения. Например, он может быть использован для подбора продолжительности пиролиза, необходимой для насыщения структурных дефектов в графитовой матрице, наличие которых может приводить к высокой необратимой емкости при первых циклах интеркалирования и деинтеркалирования лития.
Для цитирования:
Хасков М.А., Наумова В.А., Караева А.Р., Мордкович В.З. Использование газовой хроматографии при исследовании пиролитического осаждения углеводородов на поверхность модифицированного природного графита. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 65-72. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.13y.
Литература
Deng L., Wei T., Liu J., Zhan L., Chen W., Cao J. Recent Developments of Carbon-Based Anode Materials for Flexible Lithium-Ion Batteries. Crystals. 2022. V. 12. N 9. 1279. P. 1-18. DOI: 10.3390/cryst12091279.
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.
Martin J., Axmann P., Wohlfahrt-Mehrens M., Mancini M. Lithium Intercalation Kinetics and Fast-Charging Lithium-Ion Batteries: Rational Design of Graphite Particles Via Spheroidization. Energy Technol. 2023. 2201469. P. 1-13. DOI: 10.1002/ente.202201469.
Weiss M., Ruess R., Kasnatscheew J., Levartovsky Y., Levy N. R., Minnmann P., Janek J. Fast Charging of Lithi-um‐Ion Batteries: A Review of Materials Aspects. Adv. Ener-gy Mater. 2021. V. 11. N 33. 2101126. P. 1-37. DOI: 10.1002/aenm.202101126.
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. 66. N 3. P. 127-134 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246703.7041.
Mundszinger M., Farsi S., Rapp M., Golla-Schindler U., Kaiser U., Wachtler M. Morphology and texture of spheroidized natural and synthetic graphites. Carbon. 2017. V. 111. P. 764-773. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.10.060.
Abdollahifar M., Molaiyan P., Perovic M., Kwade A. In-sights into Enhancing Electrochemical Performance of Li-Ion Battery Anodes via Polymer Coating. Energies. 2022. V. 15. N 23. 8791. P. 1-28. DOI: 10.3390/en15238791.
N8. Nobili F., Mancini M., Stallworth P.E., Croce F., Green-baum S.G., Marassi R. Tincoated graphite electrodes as composite anodes for Li-ion batteries. Effects of tin coatings thickness toward intercalation behavior. J. Power Sources. 2012. V. 198. P. 243-250. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.09.075.
Yaroslavtsev A.B., Stenina I.A. Carbon Coating of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries. Surf. Innov. 2020. V. 9. N 2-3. P. 92-110. DOI: 10.1680/jsuin.20.00044.
Odusanya A., Rahaman I., Sarkar P. K., Zkria A., Ghosh K. Haque A. Laser-Assisted Growth of Carbon-Based Materials by Chemical Vapor Deposition. C-J. Carbon Res. 2022. V. 8. N 2. 24. P. 1-11. DOI: 10.3390/c8020024.
Shi C., Zhang S., Jiang Z., Sun H., Zhang C., Xue F. Enhanced electrochemical performance of the fluidization separation graphite powders from waste power lithiumion batteries by phenolic resin carbon coated. Powder Technol. 2022. V. 411. 117921. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117921.
Li H., Zhou H. Enhancing the performances of Li-ion batteries by carbon-coating: present and future. Chem. Comm. 2012. V. 48. N 9. P. 1201–1217. DOI: 10.1039/c1cc14764a.
Altova E.P., Hargittai I. Mikhail S. Tsvet—pioneer of chromatography—150 years from his birth. Struct Chem. 2022. V. 33. P. 1–3. DOI: 10.1007/s11224-021-01804-z.
Zuo H.-L., Yang F.-Q., Huang W.-H., Xia Z.-N. Preparative Gas Chromatography and Its Applications. J. Chromatogr. Sci. 2013. V. 51. N 7. P. 704-715. DOI: 10.1093/chromsci/bmt040.
Chen X., Wang L. Analysis of the Application of Gas Chromatographic Analysis Technology. J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1549. 022016. DOI: 10.1088/1742-6596/1549/2/022016.
Khaskov M.A., Gulyaev A.I., Sinyakov S.D., Ponomarenko S.A. The using of thermal analysis methods for study of pore formation in the system resol phenol-formaldehyde resin – ethylene glycol – p-toluenesulfonyl chloride. Mater. Chem. Phys. 2019. V. 233. P. 236-241. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.05.060.
Tang Z., Zhou S., Huang Y., Wang H., Zhang R., Wang Q., Sun D., Tang Y., Wang H. Improving the Initial Cou-lombic Efficiency of Carbonaceous Materials for Li/Na-Ion Batteries: Origins, Solutions, and Perspectives. Electrochem. Energy Rev. 2023. V. 6. 8. DOI: 10.1007/s41918-022-00178-y.
Bokobza L., Bruneel J.-L., Couzi M. Raman Spectra of Carbon-Based Materials (from Graphite to Carbon Black) and of Some Silicone Composites. C. J. Carbon Res. 2015. V. 1. P. 77–94. DOI: 10.3390/c1010077.
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. 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.
Son Y., Lee T., Wen B., Ma J., Jo C., Cho Y.-G., Boies A., Cho J., Volder M. High energy density anodes using hybrid Li intercalation and plating mechanisms on natural graphite. Energy Environ. Sci. 2020. V. 13. N 10. P. 3723–3731. DOI: 10.1039/D0EE02230F.
Zhao Z., Chen H., Zhang W., Yi S., Chen H., Su Z., Niu B., Zhang Y., Long D. Defect engineering in carbon materials for electrochemical energy storage and catalytic conver-sion. Mater. Adv. 2023. V. 4. P. 835-867. DOI: 10.1039/d2ma01009g.
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. N 13. P. 21632-21637. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.05.269.
Wu Y.P., Jiang C., Wan C., Holze R. Modified natural graphite as anode material for lithium ion batteries. J. Power Sources. 2002. V. 111. N 2. P. 329-334. DOI: 10.1016/S0378-7753(02)00349-X.
Khaskov M.A. Thermoporometry and oxyreactive thermal analysis for study of carbon matrices. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. P. 24-31 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.1y.
