Что создаём?

Графитовый анодный материал

В литий-ионных аккумуляторах графит используется в качестве анодного материала благодаря способности интеркалировать (встраивать) ионы лития между своими слоями в процессе зарядки. Это обеспечивает высокую электронную проводимость, стабильность при многократных циклах заряда-разряда и достаточную ёмкость для накопления энергии. Несмотря на поиск более эффективных альтернатив, графит остаётся ключевым материалом для анодов из-за доступности и отработанной технологии применения.

Вот почему графит так важен:

1. Хранение ионов лития

Графит имеет слоистую структуру, между которыми могут внедряться (интеркалироваться) ионы лития (Li⁺) во время зарядки. Это похоже на "впитывание" лития в графитовые слои без разрушения материала.

2. Стабильность и долговечность
• Графит химически инертен в рабочем диапазоне напряжений Li-ion аккумуляторов.
• Минимально расширяется/сжимается (всего на ~10%) при заряде/разряде, что снижает износ.
3. Проводимость

Графит хорошо проводит электроны, что важно для эффективного переноса заряда во внешней цепи.

4. Безопасность

В отличие от чистого лития, графит предотвращает образование дендритов (опасных игольчатых наростов), которые могут пробить сепаратор и вызвать КЗ.

5. Дешевизна и доступность

Графит — относительно недорогой материал по сравнению с альтернативами (например, кремнием).

Из чего?

Графит

Графит — это аллотропная модификация углерода, обладающая гексагональной слоистой кристаллической структурой. Каждый слой состоит из шестиугольных ячеек с прочными ковалентными связями между атомами, слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия между слоями обеспечивают его мягкость, электропроводность и способность к расслоению.

Уникальность графита — в сочетании свойств: электропроводность, термостойкость, химическая инертность и способность к расслоению. Это делает его универсальным материалом, замену которому в большинстве сфер пока не нашли.

Его свойства делают его незаменимым в различных отраслях:

1. Металлургия и производство

Высокая термостойкость (до 3000°C) позволяет использовать графит в огнеупорных материалах (тигли, формы для литья), а также в электродах дуговых печей.

2. Электротехника и энергетика

Проводит электричество благодаря подвижным электронам в слоях. Применяется в анодах литий-ионных аккумуляторов, токосъёмниках, компонентах электродвигателей.

3. Машиностроениео

Служит сухой смазкой для высокотемпературных механизмов (например, в двигателях или подшипниках), так как слои легко скользят друг относительно друга.

4. Химическая промышленность

Устойчив к агрессивным средам. Используется в уплотнителях, теплообменниках, реакторах для работы с кислотами и щелочами.

5. Авиакосмическая отрасль

Лёгкость и прочность графитовых материалов делают их идеальными для деталей ракет, спутников и самолётов.

Для чего?

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы — технологический стандарт XXI века, объединяющий эффективность, универсальность и экологичность. Их развитие продолжает стимулировать переход к устойчивой энергетике и электротранспорту.

Преимущества

1. Высокая энергетическая плотность — хранят больше энергии на единицу массы, чем другие типы аккумуляторов, что делает их компактными и легкими.
2. Низкий саморазряд — теряют всего 1–5% заряда в месяц, сохраняя энергию дольше.
3. Долгий срок службы — выдерживают 500–1500 циклов заряда-разряда до снижения ёмкости на 20%.
4. Быстрая зарядка — адаптируются к высоким токам без значительного ущерба для структуры.
5. Экологичность — не содержат токсичных тяжёлых металлов (например, свинца или кадмия).

Литий-ионные аккумуляторы стали основой технологического прогресса:

• Портативная электроника — питают смартфоны, ноутбуки, планшеты.
• Электромобили — обеспечивают высокий запас хода (Tesla, Nissan Leaf, BYD,..).
• Зелёная энергетика — накапливают энергию от солнечных панелей и ветрогенераторов.
• Медицина — используются в имплантах и портативных устройствах.

Их массовое применение сокращает зависимость от ископаемого топлива и снижает выбросы CO₂.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора (Li-ion):

1. Основные компоненты:
   • Анод (обычно графит) — отдаёт ионы лития при разряде.
   • Катод (оксид металла, например, LiCoO₂) — принимает ионы.
   • Электролит (соль лития в органическом растворителе) — проводит ионы Li⁺.
   • Сепаратор — разделяет электроды, предотвращая короткое замыкание.
2. Разрядка (работа):
   • Ионы Li⁺ перемещаются от анода к катоду через электролит.
   • Катод (оксид металла, например, LiCoO₂) — принимает ионы.
   • Электроны движутся по внешней цепи (питание устройства), создавая ток.
3. Зарядка:
   • Внешний ток "заталкивает" ионы Li⁺ обратно на анод.
   • Электроны возвращаются через цепь заряда.