ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ В УДАРНО-ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЕ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ПРИРОДНОГО ГРАФИТА
Аннотация
В данной работе были выполнены исследования изменения кристаллической структуры природного графита Тайгинского месторождения в процессе сфероидизации. Процесс сфероидизации заключался в придании плоским частицам графита квазисферической формы за счет механохимической активации в центробежной мельнице ударно-отражательного принципа действия. Сферический графит, получаемый механохимической сфероидизацией, является на настоящий момент доминирующим на рынке анодным материалом литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время становится актуальной проблема получения электродных материалов химических источников тока на основе отечественного сырья и с использованием отечественных технологий обработки. В ходе работы установлено, что исследуемый графит состоит из двух графитовых субструктур с большей и меньшей степенью графитации. При механохимической активации графита в центробежной мельнице ударно-отражательного принципа действия происходит значительное изменение кристаллической структуры обеих субструктур, заключающееся в уменьшении размера кристаллитов, снижению степени графитации и образованию ромбоэдрической фазы. Также отмечено, что изменения структуры носят волнообразный характер, а менее графитированная субструктура подвержена более сильным колебаниям. В процессе сфероидизации отмечено уменьшение доли более графитированной субструктуры и ее переход в менее графитированную. Кроме того, установлено, что процесс сфероидизации сопровождается снижением степени текстурированности кристаллической структуры, выраженной снижением соотношения интегральных интенсивностей рефлексов (002) и (110), соответствующих кристаллографическим плоскостям «с» и «а» соответственно. Увеличение интенсивности ударного воздействия с 55 м/с до 85 м/с позволяет интенсифицировать протекающие процессы, при этом значительного ухудшения степени графитации не отмечено.
Для цитирования:
Братков И.В., Иванов А.Д., Колчин А.Д., Савицкий И.А., Смирнов Н.Н. Исследование влияния механохимической активации в ударно-отражательной мельнице на кристаллическую структуру природного графита. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 4. С. 68-74. DOI: 10.6060/ivkkt.20236604.6795.
Литература
Cabana J., Monconduit L., Larcher D., Palacıґn M.R. Beyond Intercalation-Based Li-Ion Batteries: The State of the Art and Challenges of Electrode Materials Reacting Through Conversion Reactions. Adv. Mater. 2010. V. 22. P. 170–192. DOI: 10.1002/adma.201000717.
Larcher D., Beattie S., Morcrette M., Edstrom K., Jumas J.-C., Tarascon J.-M. Recent findings and prospects in the field of pure metals as negative electrodes for Li-ion batteries. J. Mater. Chem. 2007. V. 17. P. 3759–3772. DOI: 10.1039/B705421C.
Obrovac M.N., Chevrier V.L. Alloy Negative Electrodes for Li-Ion Batteries. Chem. Rev. 2014. 114. 23. P. 11444–11502. DOI: 10.1021/cr500207g.
Bresser D., Passerini S., Scrosati B. Leveraging valuable synergies by combining alloying and conversion for lithiumion anodes. En. Environ. Sci. 2016. V. 9. P. 3348–3367. DOI: 10.1039/C6EE02346K.
Guo Y.-G., Hu J.-S., Wan L.-J. Nanostructured materials for electrochemical energy conversion and storage devices. Adv. Mater. 2008. V. 20. P. 2878–2887. DOI: 10.1002/adma.200800627.
Nitta N., Yushin G. High-Capacity Anode Materials for Lithium-Ion Batteries: Choice of Elements and Structures for Active Particles. Part. Part. Syst. Charact. 2014. V. 31. P. 317-336. DOI: 10.1002/ppsc.201300231.
Reddy M.V., Subba Rao G.V., Chowdari B.V.R. Metal Oxides and Oxysalts as Anode Materials for Li Ion Batteries. Chem. Rev. 2013. V. 113. P. 5364–5457. DOI: 10.1021/cr3001884.
Chan C., Peng H., Liu G., Mcllwrath K., Zhang X., Huggins R., Cui Y. High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires. Nat. Nanotech. 2008. V. 3. P. 31–35. DOI: 10.1038/nnano.2007.411.
Choi J.W., Aurbach D. Promise and reality of post-lithiumion batteries with high energy densities. Nat. Rev. Mater. 2016. V. 1. Art. 16013. DOI: 10.1038/natrevmats.2016.13.
Goodenough J.B. Electrochemical energy storage in a sustainable modern society. En. Environ. Sci. 2014. V. 7. P. 14-18. DOI: 10.1039/C3EE42613K.
Lin D., Liu Y., Cui Y. Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries. Nat. Nanotechnol. 2017. V. 12. P. 194-206. DOI: 10.1038/nnano.2017.16.
Cheng X., Zhang R., Zhao C., Zhang Q. Toward safe lithium metal anode in rechargeable batteries: a review. Chem. Rev. 2017. V. 117. P. 10403-10473. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00115.
Albertus P., Babinec S., Litzelman S., Newman A. Status and challenges in enabling the lithium metal electrode for high-energy and low-cost rechargeable batteries. Nat. Ener-gy. 2017. V. 3. P. 16–21. DOI: 10.1038/s41560-017-0047-2.
Zhang Y., Zuo T., Popovic J., Lim K., Yin Y., Maier J., Guo Y. Towards better Li metal anodes: challenges and strategies. Mater. Today. 2019. V. 33. P. 56-74. DOI: 10.1016/j.mattod.2019.09.018.
Goodenough J.B., Kim Y. Challenges for rechargeable Li batteries. Chem. Mater. 2010. V. 22. P. 587-603. DOI: 10.1021/cm901452z.
Guerard D., Herold A. Intercalation of lithium into graphite and other carbons. Carbon. 1975. V. 13. P. 337–345. DOI: 10.1016/0008-6223(75)90040-8.
Zanini M., Basu S., Fischer J.E. Alternate synthesis and reflectivity spectrum of stage 1 lithium—graphite intercalation compound. Carbon. 1978. V. 16. P. 211–212. DOI: 10.1016/0008-6223(78)90026-X.
Basu S., Zeller C., Flanders P.J., Fuerst C.D., Johnson W.D., Fischer J.E. Synthesis and properties of lithium-graphite intercalation compounds. Mater. Sci. Eng. 1979. V. 38. P. 275–283. DOI: 10.1016/0025-5416(79)90132-0.
Bresser D., Paillard E., Passerini S. Advances in Batteries for Medium and Large-Scale Energy Storage. Elsevier. 2014. P. 125–211. DOI: 10.1016/b978-1-78242-013-2.00006-6.
McKinnon W.R., Haering R.R. Modern Aspects of Electrochemistry. Boston, MA: Springer US. 1983. P. 235–304. DOI: 10.1007/978-1-4615-7461-3.
Song X.Y., Kinoshita K., Tran T.D. Microstructural Char-acterization of Lithiated Graphite. J. Electrochem. Soc. 1996. V. 143. N 6. L120. DOI: 10.1149/1.1836896.
Yudina T.F., Blinichev V.N., Bratkov I.V., Gushchina T.V., Melnikov A.G. Investigation of the spheroidization process of natural graphites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 48-52 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5883.
Barnakov Tsch.N., Khokhlova G.P., Malysheva V.Y., Popova A.N., Ismagilov Z.R. X-ray phase analysis of the crystal structure of graphites of different nature. Khim. Tverd. Topl. 2015. N 1. P. 28–32 (in Russian). DOI: 10.7868/S0023117715010041.
Mohindar S. Seehra, Usha K. Geddam, Diane Schwegler-Berry, Aleksandr B. Stefaniak. Detection and quantification of 2H and 3R phases in commercial graphene-based materials. Carbon. 2015. V. 95. P. 818-823. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.08.109.
Kulnitskiy B.A., Gordeeva T.A., Ovsyannikov D.A., Popov M.Yu., Blank V.D. Phase transformations of group IV elements: carbon, silicon, germanium after treatment under cyclic stresses up to 6 GPa. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 10-15 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.8y.
