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    憑啥!石墨負極材料獨得鋰電恩寵

    來源:中國粉體網 瀏覽次數: 日期:2017-08-17

    [導讀]  目前,石墨是主流的商業化鋰電負極材料,它的理論克容量為372mAh/g,市面上性能較好的石墨負極材料已經能達到360mAh/g,克容量逐漸趨于極限值。

    中國粉體網訊  鋰離子電池是指以兩種不同的能夠可逆地嵌入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負極的二次電池體系。充電時,鋰離子從正極脫嵌,通過電解質和隔膜,嵌入到負極中;放電時則相反,鋰離子從負極脫嵌,通過電解質和隔膜,嵌入到正極中。鋰離子電池的負極是由負極活性物質、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側,經干燥、滾壓而成。 

    石墨作為負極材料的優勢   

    石墨是碳的同素異形體,二者緊密相關。石墨是碳元素最穩定的存在形式。(金剛石是碳的一種亞穩態同素異形體,雖然它的硬度遠遠高于石墨,是自然界中硬度最高的物質,但它的穩定性卻低于石墨。) 

    石墨”一詞來源于希臘語“graphein”,該材料耐高溫,耐腐蝕,具有良好的導電性、導熱性和穩定的化學性能,同時比鋁要輕。除了用作鋰離子電池的負極材料外,優質的石墨還可用于燃料電池、太陽能電池、半導體、發光二極管以及核反應堆等不同領域。 

    總的來說,石墨具備電子電導率高、層狀結構在嵌鋰前后體積變化小、嵌鋰容量高和嵌鋰電位低等優點,已成為目前主流的商業化鋰離子電池負極材料。 

    石墨的獲取方式

    獲取石墨的方式有兩種:一是天然礦石,二是煤焦油的合成。而鋰離子電池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨與45%低純度的天然石墨調和制備的。 

    生產廠家曾經一度青睞合成石墨,因為合成石墨的均一性和純度要優于天然石墨?,F在卻不一樣,現代化學提純方法的應用使得經熱處理可獲得99.9%純度的天然石墨。相比之下,合成石墨的純度為99%,因而前者更受歡迎。 

    與合成石墨相比,經過提純的天然片狀石墨有更高的結晶度,表現出更好的導電性和導熱性。此外,天然石墨有望降低鋰離子電池的生產成本,同時還能獲得同等甚至更優異的電池性能。

    可以預計的是合成石墨終將被替代,未來屬于更便宜更環保的天然石墨,而以天然石墨為原料合成的石墨烯,更將大展身手。

    石墨的嵌鋰機理   

      石墨導電性好,結晶程度高,具有良好的層狀結構,十分適合鋰離子的反復嵌入-脫嵌,是目前應用最廣泛、技術最成熟的負極材料。鋰離子嵌入石墨層間后,形成嵌鋰化合LixC6(0≤x≤1),理論容量可達372mAh/g(x=1),反應式為:xLi++6C+xe-→LixC6  

     鋰離子嵌入使石墨層與層之間的堆積方式由ABAB變為AAAA。

    石墨的改性處理 

    由于石墨層間距(d≤0.34nm)小于石墨嵌鋰化合物LixC6的晶面層間距(0.37nm),致使在充放電過程中,石墨層間距改變,易造成石墨層剝落、粉化,還會發生鋰離子與有機溶劑分子共同嵌入石墨層及有機溶劑分解,進而影響電池循環性能。

    通過石墨改性,如在石墨表面氧化、包覆聚合物熱解炭,形成具有核-殼結構的復合石墨,可以改善石墨的充放電性能,提高比容量。 

    其它負極材料 

    目前,石墨是主流的商業化鋰電負極材料,它的理論克容量為372mAh/g,市面上性能較好的石墨負極材料已經能達到360mAh/g,克容量逐漸趨于極限值。雖然石墨作為負極材料具有克容量較低、循環性偏差等劣勢,但鑒于石墨類負極材料的高性價比,其不會立即被新型材料取代,具體原因如下:

    1.新型負極材料技術不成熟,還需要很長一段時間進行性能改進;

    2.新型負極材料的價格較高,石墨類負極的價格優勢明顯;

    3.負極材料需要與正極材料、電解液等搭配使用,而目前正極材料的比容量普遍較低。

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