Kohlenstoffhaltige Anoden mit und ohne Graphit in Lithium-Ionen-Batterien

Die Li+-Ionen-Akkommodation in kohlenstoffhaltigen Anoden im Hinblick auf Potentialprofile, spezifische Ladung und parasitäre Reaktionen hängt in komplexer Weise von deren Kristallinität, Textur, (Mikro-)Struktur und (Mikro-)Morphologie ab. Im Allgemeinen können kohlenstoffhaltige Materialien in graphitische (Materialien mit Schichtstruktur) und nicht-graphitische (ungeordnete) Materialien eingeteilt werden, während letztere weiter in graphitisierende Kohlenstoffe (weiche Kohlenstoffe) und nicht-graphitisierende Kohlenstoffe (harte Kohlenstoffe) eingeteilt werden können, je nach ihrer Fähigkeit, während der Wärmebehandlung eine Graphitstruktur zu entwickeln.

Graphitische Kohlenstoffe bestehen aus gestapelten Graphenschichten in der Stapelfolge AB (hexagonaler Graphit) oder ABC (rhomboedrischer Graphit), die durch schwache van-der-Waal-Kräfte zusammengehalten werden. Während der elektrochemischen Lithiierung kann ein maximaler Gehalt von einem Li+-Ion pro sechs Kohlenstoffwirtsatome gespeichert werden, was einer theoretischen spezifischen Kapazität von 372 mAh g-1 entspricht. Der Prozess der Li+-Ionen-Interkalation geht mit einer Änderung der Graphitstapelsequenz zu AA einher. Dabei verläuft die Li+-Ionen-Interkalation über einen Staging-Mechanismus, bei dem das Li+-Ion vollständig in sehr weit entfernte Graphenschichtlücken interkaliert, bevor es den Raum zwischen benachbarten Schichten einnimmt. Der Staging-Prozess ist durch wohldefinierte Potentialplateaus im Potentialbereich zwischen 0,25 V und 0,05 V gegenüber Li/Li+ des Potentialprofils gekennzeichnet. Aufgrund des niedrigen Betriebspotentials von Graphitanoden nahe dem Betriebspotential von Lithium-Metall sind alle bekannten Elektrolyte an der Grenzfläche Anode/Elektrolyt thermodynamisch instabil. Die Zersetzung des üblicherweise verwendeten Elektrolyten auf der Basis von LiPF6/organischem Karbonat in den anfänglichen Lade-/Entladezyklen führt jedoch zur Bildung einer Passivierungsschicht und damit zur kinetischen Stabilität an der Grenzfläche.