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    探究鋰離子電池負極材料主力:石墨類材料
    作者:admin    發布日期:2022/4/11     關注次數:     二維碼分享

    作為鋰離子電池四大主材之一的負極材料,其比容量以及工作電壓直接決定著電池的能量密度和工作電壓,烏蘭察布石墨電極雖然硅材料開始逐步走向產業化,但目前的主流負極材料仍然是石墨類負極材料,其在反應過程中具有較低的嵌鋰電位,同時生成的插鋰層間化合物代替金屬鋰負極,從而避免了金屬鋰枝晶的沉積, 因此安全性得以顯著提高。而作為鋰電四大主材的一個主題,將通過對石墨類材料的基礎知識、生產工藝、測試方法、失效模式分析等幾個方面對其有一個系統的、直觀的認識,對石墨類材料的基礎知識做一個簡單的介紹。


     探究鋰離子電池負極材料主力:石墨類材料


    石墨類材料主要分為人造石墨和天然石墨,人造石墨又會根據加工工藝的不同分為MCMB(中間相碳微球)、軟碳和硬碳等,理想的石墨具有層狀結構,每個平面類似于苯環,層面之間通過大π鍵連接;具有2H型六方晶系以及3R型菱面體晶系。對于理想的石墨而言,其理論容量為372mAh/g,但在實際電池設計過程中,一般負極會過量百分之5-10,同時在首次充電過程中形成SEI膜對負極表面形成保護,阻止電解液和


    負極的進一步反應,而這層膜的好壞將直接影響電池的各項性能。
    隨著石墨負極中鋰離子嵌入越來越深入(Stage-4-Stage-1),負極的表面顏色也逐漸發生變化,從黑色到青黑色再到暗黃色最后到金黃,石墨負極也完成了C-----LiC12----LiC6的轉變,從而完成了充電過程。
    天然石墨大小顆粒不一,粒徑分布廣,未經處理的天然石墨是不能作為負極材料直接使用的,需要經過一系列的加工后才能使用,而人造石墨在形貌以及粒徑分布上就一致多了;一般認為,天然石墨的容量高,壓實密度高,價格也比較便宜,但是由于顆粒大小不一,表面缺陷較多,與電解液的相容性比較差,副反應比較多;而人造石墨則各項性能比較均衡,循環性能好,與電解液的相容性也比較好,價格也會貴一些。
    對于負極材料,常常會聽到一個取向度的概念,也就是所謂的OI值,它的大小將直接影響著負極的電解液浸潤、表面的阻抗、大倍率充放電性能,也直接影響著負極在循環過程中的膨脹。取向度=I(004)/I(110),通過XRD數據可以計算出來。

    隨著取向度的降低,大倍率充電的能力也在逐漸提升,達到一個穩定的值。

    除此以外,石墨負極的形貌也對電池性能有很大的影響,球形石墨顆粒之間的接觸明顯不如不規則石墨顆粒的接觸,因而阻抗也會大一些,這對材料的設計而言是一個方向,對顆粒大小的匹配以及保證顆粒之間的面接觸,+大接觸面積,降低接觸阻抗,從而達到降低極化的目的。

    而材料本身的包覆狀態也會影響負極的性能,一般會包覆一些無定型的碳材料,從而改善負極的界面阻抗,改善低溫以及循環性能;


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