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詳細解析鋰離子電池的負極材料

時間: 2019-05-15 | 編輯: 156 | 閱讀:156次

負極材料,是電池在充電過程中,鋰離子和電子的載體,起著能量的儲存與釋放的作用。在電池成本中,負極材料約占了5%-15%,是鋰離子電池的重要原材料之一。

全球鋰電池負極材料銷量約十余萬噸,產地主要為中國和日本,根據現階段新能源汽車增長趨勢,對負極材料的需求也將呈現一個持續增長的狀態。目前,全球鋰電池負極材料仍然以天然/人造石墨為主,新型負極材料如中間相炭微球(MCMB)、鈦酸鋰、硅基負極、HC/SC、金屬鋰也在快速增長中。

負極材料主要供應商

作為鋰離子嵌入的載體,負極材料需滿足以下要求:

鋰離子在負極基體中的插入氧化還原電位盡可能低,接近金屬鋰的電位,從而使電池的輸入電壓高;

在基體中大量的鋰能夠發生可逆插入和脫嵌以得到高容量;

在插入/脫嵌過程中,負極主體結構沒有或很少發生變化;

氧化還原電位隨Li的插入脫出變化應該盡可能少,這樣電池的電壓不會發生顯著變化,可保持較平穩的充電和放電;

插入化合物應有較好的的電子電導率和離子電導率,這樣可以減少極化并能進行大電流充放電;

主體材料具有良好的表面結構,能夠與液體電解質形成良好的SEI;

插入化合物在整個電壓范圍內具有良好的化學穩定性,在形成SEI后不與電解質等發生反應;

鋰離子在主體材料中有較大的擴散系數,便于快速充放電;

從實用角度而言,材料應具有較好的經濟性以及對環境的友好性。

二 碳類負極材料

下圖為常見碳類負極材料分類。

2.1 石墨類負極 

石墨,英文名graphite,石墨質軟、有滑膩感,是一種非金屬礦物質,具有耐高溫、耐氧化、抗腐蝕、抗熱震、強度大、韌性好、自潤滑強度高、導熱、導電性能強等特有的物理、化學性能。

石墨具有許多優良的性能,因而在冶金、機械、電氣、化工、紡織、國防等工業部門獲得廣泛應用,比如石墨模具、石墨電極、石墨耐火材料、石墨潤滑材料、石墨密封材料等。我國是世界上石墨儲量最豐富的國家,也是第一生產大國和出口大國,在世界石墨行業中占有重要地位。據我國國土資源部統計資料顯示,我國晶質石墨儲量3085萬噸,基礎儲量5280萬噸;隱晶質石墨儲量1358萬噸,基礎儲量2371萬噸,中國石墨儲量占世界的70%以上。

理想的石墨具有層狀結構,層面由SP2的碳原子形成類似苯環的巨大平面,層平面間的碳原子以δ鍵相互連接,鍵長0.142nm,鍵角120°。層面之間還有個連接所有碳原子的大π鍵。層間為0.3354nm。兩種晶型:六方晶系-2H型(a)和菱角體晶系-3R(b)Ø兩種晶型可以相互轉換:研磨和加熱。

石墨的嵌鋰機理

石墨理論容量372mAh/g,當然只有石墨化度非常高的材料才可以達到這個值。但是所有碳素材料在經過首次充放電時都會存在由于副反應帶來的不可逆容量損失。隨著負極電位的降低,直到電解液中成分在負極表面形成一種穩定的鈍化膜(SEI)而停止。首次放電出現四個電壓平臺(如下圖),其中A為SEI的形成,石墨大部分容量在0.3~0.005V范圍內。除A之外,不同的電壓平臺對應著不同的嵌鋰狀態,分別稱之為四階、三階化合物…最后形成LiC6,達到理論容量372mAh/g,晶面間距變為0.37。(來源于書本期刊)

在完全插鋰狀態的石墨LiC6墨片排列方式發生轉變(如下圖):由ABABAB …轉變為AAAA …排列方式。部分人造石墨較難轉換排列方式,容量較低。

石墨主要分為天然石墨和人造石墨,天然石墨需經過一些處理方式,才能作為鋰離子電池負極,比如我們常見的氧化處理、機械研磨之類的。而人造石墨則是從有機物(氣態、液態、固態)轉變成石墨,具體的操作方式可自行百度。

文章標題: 詳細解析鋰離子電池的負極材料
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