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探究锂离子电池负极材料主力:石墨类材料
作者:admin    发布日期:2022/4/11     关注次数:     二维码分享

作为锂离子电池四大主材之一的负极材料,其比容量以及工作电压直接决定着电池的能量密度和工作电压,乌兰察布石墨电极虽然硅材料开始逐步走向产业化,但目前的主流负极材料仍然是石墨类负极材料,其在反应过程中具有较低的嵌锂电位,同时生成的插锂层间化合物代替金属锂负极,从而避免了金属锂枝晶的沉积, 因此安全性得以显著提高。而作为锂电四大主材的一个主题,将通过对石墨类材料的基础知识、生产工艺、测试方法、失效模式分析等几个方面对其有一个系统的、直观的认识,对石墨类材料的基础知识做一个简单的介绍。


 探究锂离子电池负极材料主力:石墨类材料


石墨类材料主要分为人造石墨和天然石墨,人造石墨又会根据加工工艺的不同分为MCMB(中间相碳微球)、软碳和硬碳等,理想的石墨具有层状结构,每个平面类似于苯环,层面之间通过大π键连接;具有2H型六方晶系以及3R型菱面体晶系。对于理想的石墨而言,其理论容量为372mAh/g,但在实际电池设计过程中,一般负极会过量百分之5-10,同时在首次充电过程中形成SEI膜对负极表面形成保护,阻止电解液和


负极的进一步反应,而这层膜的好坏将直接影响电池的各项性能。
随着石墨负极中锂离子嵌入越来越深入(Stage-4-Stage-1),负极的表面颜色也逐渐发生变化,从黑色到青黑色再到暗黄色最后到金黄,石墨负极也完成了C-----LiC12----LiC6的转变,从而完成了充电过程。
天然石墨大小颗粒不一,粒径分布广,未经处理的天然石墨是不能作为负极材料直接使用的,需要经过一系列的加工后才能使用,而人造石墨在形貌以及粒径分布上就一致多了;一般认为,天然石墨的容量高,压实密度高,价格也比较便宜,但是由于颗粒大小不一,表面缺陷较多,与电解液的相容性比较差,副反应比较多;而人造石墨则各项性能比较均衡,循环性能好,与电解液的相容性也比较好,价格也会贵一些。
对于负极材料,常常会听到一个取向度的概念,也就是所谓的OI值,它的大小将直接影响着负极的电解液浸润、表面的阻抗、大倍率充放电性能,也直接影响着负极在循环过程中的膨胀。取向度=I(004)/I(110),通过XRD数据可以计算出来。

随着取向度的降低,大倍率充电的能力也在逐渐提升,达到一个稳定的值。

除此以外,石墨负极的形貌也对电池性能有很大的影响,球形石墨颗粒之间的接触明显不如不规则石墨颗粒的接触,因而阻抗也会大一些,这对材料的设计而言是一个方向,对颗粒大小的匹配以及保证颗粒之间的面接触,+大接触面积,降低接触阻抗,从而达到降低极化的目的。

而材料本身的包覆状态也会影响负极的性能,一般会包覆一些无定型的碳材料,从而改善负极的界面阻抗,改善低温以及循环性能;


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